0 引言
“ 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”、“ 可編程邏輯器件與應(yīng)用”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是電子類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程,在電工電子教學(xué)中占有非常重要的地位,也是現(xiàn)代EDA 技術(shù)的重要組成部分。一方面,三門課程都具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性,學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于通過實(shí)踐,真正掌握軟硬件的有機(jī)結(jié)合和實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用能力。另一方面,三門課程聯(lián)系緊密,其中“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程是“可編程邏輯器件與應(yīng)用”課程的基礎(chǔ),且隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的采用分立元件完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時(shí),在實(shí)際的工程應(yīng)用中,經(jīng)常會需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對單片機(jī)外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展。因此,三門課程在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可分割。
雖然目前市場上有各式各樣的數(shù)字電路、EDA 或單片機(jī)的教學(xué)設(shè)備,但大多是獨(dú)立的、“單板式”的設(shè)計(jì)模式,即使有少量綜合性實(shí)驗(yàn)平臺,也只是簡單的把幾門課程的實(shí)驗(yàn)資源集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺,然后根據(jù)需要采用導(dǎo)線連接,和獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺之間并沒有本質(zhì)的區(qū)別。此外,不同實(shí)驗(yàn)平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的;但在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上,相同的模塊并不能共享,存在資源的浪費(fèi)。最后,一體化的設(shè)計(jì)難于進(jìn)行功能的擴(kuò)展,不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在這種情況下,從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高綜合利用所學(xué)知識解決工程實(shí)際問題的能力出發(fā),迫切需要一種既能完成每門課程的獨(dú)立實(shí)驗(yàn),又能完成綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對上述問題,采用電路動態(tài)重組的方式,提供0~7共8個(gè)模式,在一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上既含有數(shù)字電路常用邏輯芯片的功能,也含有可編程邏輯器件、單片機(jī)的硬件資源,可同時(shí)滿足三門課程的教學(xué)需要。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還預(yù)留擴(kuò)展接口,可以將設(shè)計(jì)的擴(kuò)展電路連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),有利于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。
1 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)分為:主控電路模塊、單片機(jī)模塊、PLD 模塊、人機(jī)交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預(yù)留擴(kuò)展接口模塊。
主控電路模塊是完成電路動態(tài)配置的核心,能夠?qū)崿F(xiàn)所有資源之間的任意連接。
人機(jī)交互模塊通過LCD12864 顯示器和按鍵提供友好的配置界面,實(shí)現(xiàn)模式的選擇、設(shè)置信號的參數(shù)以及觀察測量結(jié)果等功能。
顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統(tǒng)稱為基本外設(shè)模塊,提供基本的輸入輸出資源。綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備信號發(fā)生和檢測功能,能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號,并能測量輸入信號的頻率和電壓。
1.1 主控電路模塊
主控電路模塊采用Altera 公司的MAX Ⅱ 系列EPM570T144C5N 作為控制芯片,MAXⅡ系列器件既具有FPGA 的查找表的體系結(jié)構(gòu)和性能,又具有CPLD 存儲數(shù)據(jù)非易失性、易于編程和瞬時(shí)接通的功能,應(yīng)用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時(shí)不需要外部存儲器件這一在用戶看來更容易識別的特性,所以被Altera公司歸入CPLD.主控電路實(shí)現(xiàn)電路的動態(tài)重組,可按需配置成不同的連接,實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不同模式,連接示意如圖2所示。單片機(jī)模塊、PLD模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、基本外設(shè)模塊等通過標(biāo)準(zhǔn)I/O口直接和主控電路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 連接(實(shí)線雙向箭頭所示)。由于器件內(nèi)部具有豐富的互連線,只需簡單的硬件編程即可實(shí)現(xiàn)不同I/O接口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā),即實(shí)現(xiàn)片上數(shù)據(jù)路由的功能。因此,通過硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)對該CPLD進(jìn)行編程,即可完成其他功能模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),實(shí)現(xiàn)這些模塊之間的間接連接(虛心雙向箭頭所示)。對用戶而言,用戶只需要通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行配置控制,選擇需要的模式,就能調(diào)用預(yù)先存儲好的不同連接配置信息,自動實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同模塊之間的動態(tài)連接。具體說來,有三種形式的連接:
(1)把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到PLD模塊,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)平臺的功能。同時(shí)可編程邏輯器件還可模擬74系列數(shù)字芯片,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺的功能。
(2)把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到單片機(jī)模塊,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的功能。
?。?)把單片機(jī)模塊與PLD 模塊進(jìn)行連接,再通過PLD 模塊連接基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊等,實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)平臺的功能。
對用戶來說,這些模塊之間是直接連接的,用戶只能接觸到基于動態(tài)重組電路之上的各個(gè)功能模塊。
主控電路EPM570T144C5 的具體連接電路如圖3所示。
1.2 單片機(jī)模塊
單片機(jī)模塊目前選用器件為SST89E516RD,是SST公司生產(chǎn)的一款基于8051內(nèi)核的8位單片機(jī),最大特點(diǎn)是具有在線下載和在線調(diào)試功能。其管腳兼容AT89C51,時(shí)鐘頻率0~40 MHz,集成1 KB 片內(nèi)RAM,64 KB+8 KB 的FLASH E2PROM.此外,單片機(jī)模塊還配置溫度傳感器DS18B20,8 KB 串行E2PROMAT24C08.單片機(jī)器件通過標(biāo)準(zhǔn)接插件連接到EPM570T144C5N,可根據(jù)需要隨時(shí)更換?! ?/p>
1.3 PLD模塊該模塊可根據(jù)需要更換不同的EDA核心板。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)的EDA核心板,選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8,含有10 320個(gè)邏輯單元(LE)、46 個(gè)M9K 模塊、423Mbit 的RAM、以及23 個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)PLL、10個(gè)Gclks.該EDA核心板還提供8個(gè)獨(dú)立按鍵,1個(gè)40 MHz的有源晶振。
1.4 其他外圍硬件資源
在人機(jī)交互模塊、顯示模塊、以及矩陣按鍵模塊還提供一些常用的硬件資源,包括:10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS7822、12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615、8個(gè)發(fā)光二極管、8個(gè)共陰7段數(shù)碼管、字符液晶1602、帶字庫點(diǎn)陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。
1.5 擴(kuò)展接口
可通過P3、P4兩個(gè)40針雙排插座實(shí)現(xiàn)與其他電路的連接,靈活支撐各類設(shè)計(jì)項(xiàng)目,有利于學(xué)生綜合、創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。
圖4所示為擴(kuò)展接口與核心電路EPM570T144C5N的連接示意。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模式
綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu),有0~7 共8 個(gè)模式,可通過人機(jī)交互模塊中的按鍵S0~S4進(jìn)行選擇。其中模式0~4是單片機(jī)模式,模式5~7是可編程邏輯器件模式。不同模式下,電路的結(jié)構(gòu)以及外圍硬件資源均有不同。
2.1 單片機(jī)模式
圖5 所示為模式0 的電路結(jié)構(gòu)。在模式0 下,發(fā)光二極管連接在單片機(jī)的P0口,如果P0口相應(yīng)位是邏輯“1”,則能夠點(diǎn)亮對應(yīng)的發(fā)光二極管。需要注意的是,P0口作為普通I/O口使用,需要接上拉電阻,圖5僅為電路結(jié)構(gòu)示意,實(shí)際電路中連接有5.1 kΩ。在模式0下,4×4矩陣按鍵不再作為矩陣按鍵使用,而是取矩陣按鍵中的K0~K7 作為獨(dú)立按鍵連接到單片機(jī)的P2 口。該模式下,連接有DS18B20,AT24C08和ADS7822等硬件資源。
圖6 所示為模式1 的電路結(jié)構(gòu)。在模式1 下,矩陣按鍵中的K0~K3作為獨(dú)立按鍵,連接到單片機(jī)的P2.0~P2.3 口。模式1 相對于模式0,增加了LCD1602、TLC5615 以及蜂鳴器。LCD1602 的數(shù)據(jù)線連接到單片機(jī)的P0 口,控制信號RS、RW 和E 分別連接到P2.5 口,P2.6口,P2.7口。為了簡化編程,在模式1下,LCD1602被禁止讀“忙”。這意味著,如果選用模式1對1602進(jìn)行操作時(shí),只能通過延時(shí)來實(shí)現(xiàn)控制。TLC5615的控制信號nCS和SCK分別連接到P3.2口和P3.6口,而串行數(shù)據(jù)則通過P3.7口進(jìn)行傳輸。
模式2與模式1基本一致,區(qū)別在于將LCD1602換為12864.同樣,模式2 也不允許對12864 進(jìn)行讀“忙”操作。
模式3是單片機(jī)I/O擴(kuò)展模式,通過P0口和P2口進(jìn)行I/O擴(kuò)展;其中P0口用作數(shù)據(jù)通道,P2口用作控制通道。如:P2.0口用于使能發(fā)光二極管,P2.1口用于使能數(shù)碼管的段選信號,P2.2 口用于使能數(shù)碼管的位選信號,P2.3和P2.4控制矩陣按鍵,P2.5和P2.6控制液晶顯示器。在模式3下,單片機(jī)可以使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的所有外圍硬件資源。
模式4是單片機(jī)總線模式,所有外圍硬件資源通過總線與單片機(jī)相連,外圍硬件資源地址為0×0400~0×0600.
2.2 可編程邏輯器件模式
圖7所示為模式5電路結(jié)構(gòu),即可編程邏輯器件模式。在模式5下,連接有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、4×4矩陣按鍵、TLC5615 以及蜂鳴器。SW0~SW7 是EDA 核心板上的8 個(gè)獨(dú)立按鍵,按下為邏輯“0”。其中SW5 連接在EP3C10E144C8 芯片的多功能管腳nCEO 上,需要通過軟件將該管腳設(shè)置為普通I/O 腳,否則按鍵SW5 不能使用。提供三個(gè)時(shí)鐘信號,clk0 連接EDA 核心板上的40 MHz 有源晶振,clk1 和clk2 可在人機(jī)交互模塊進(jìn)行選擇。
模式6 與模式5 基本一致,所不同的是模式6 沒有連接數(shù)碼管,而是連接LCD1602.同樣,在模式6 下,1602不允許“讀忙”操作。模式7將模式6的1602換為12864,其他連接完全相同。
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用
綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制為實(shí)驗(yàn)箱的形式,如圖8所示。目前已在我校承擔(dān)了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“可編程邏輯器件與應(yīng)用”兩門課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
?。?)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”相關(guān)實(shí)驗(yàn)
包括流水燈的實(shí)現(xiàn)、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)、接口技術(shù)--按鍵、串口通信、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)、數(shù)控信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)、彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子萬年歷的設(shè)計(jì)等[4]。
?。?)“可編程邏輯器件原理與應(yīng)用”相關(guān)實(shí)驗(yàn)
包括:計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、LPM模塊的應(yīng)用、數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、硬件電子琴的設(shè)計(jì)、矩陣鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的設(shè)計(jì)、D/A轉(zhuǎn)化控制、字符型LCD顯示、數(shù)字調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)、循環(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)等。
4 結(jié)語
設(shè)計(jì)良好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)提供優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu)、電路動態(tài)重組、預(yù)留擴(kuò)展接口,較好地適應(yīng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。從2009 年投入批量生產(chǎn)以來,學(xué)生反映良好,極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。此外,還為本科畢業(yè)生提供了畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺,能夠滿足多種教學(xué)需求。
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