基于实验系统采用电路可动态重组的设计方案 - 全文

　　0 引言

　　“ 数字电路与逻辑设计”、“ 可编程逻辑器件与应用”、“单片机原理与应用”是电子类相关专业的重要专业课程，在电工电子教学中占有非常重要的地位，也是现代EDA 技术的重要组成部分。一方面，三门课程都具有很强的实践应用性，学生学习的重点在于通过实践，真正掌握软硬件的有机结合和实际系统的应用能力。另一方面，三门课程联系紧密，其中“数字电路与逻辑设计”课程是“可编程逻辑器件与应用”课程的基础，且随着现代电子技术的发展，传统的采用分立元件完成数字电路实验的方法也逐渐被可编程逻辑器件所替代。同时，在实际的工程应用中，经常会需要利用74系列器件和可编程逻辑器件对单片机外围电路进行扩展。因此，三门课程在电子系统设计中不可分割。

　　虽然目前市场上有各式各样的数字电路、EDA 或单片机的教学设备，但大多是独立的、“单板式”的设计模式，即使有少量综合性实验平台，也只是简单的把几门课程的实验资源集成到一个实验平台，然后根据需要采用导线连接，和独立的实验平台之间并没有本质的区别。此外，不同实验平台中的某些功能模块的硬件电路是相同的；但在不同的实验设备上，相同的模块并不能共享，存在资源的浪费。最后，一体化的设计难于进行功能的扩展，不利于学生进行创新项目的设计。在这种情况下，从培养学生的创新精神和提高综合利用所学知识解决工程实际问题的能力出发，迫切需要一种既能完成每门课程的独立实验，又能完成综合性设计实验的实验平台。

　　本实验系统针对上述问题，采用电路动态重组的方式，提供0~7共8个模式，在一套实验系统上既含有数字电路常用逻辑芯片的功能，也含有可编程逻辑器件、单片机的硬件资源，可同时满足三门课程的教学需要。

　　实验系统还预留扩展接口，可以将设计的扩展电路连接到实验系统，有利于训练学生的创新能力。

　　1 综合实验系统设计方案

　　综合实验系统采用电路可动态重组的设计方案，其系统结构框图如图1所示。

　　系统分为：主控电路模块、单片机模块、PLD 模块、人机交互模块、显示模块、矩阵按键模块以及预留扩展接口模块。

　　主控电路模块是完成电路动态配置的核心，能够实现所有资源之间的任意连接。

　　人机交互模块通过LCD12864 显示器和按键提供友好的配置界面，实现模式的选择、设置信号的参数以及观察测量结果等功能。

　　显示模块、矩阵按键模块又可统称为基本外设模块，提供基本的输入输出资源。综合实验系统还配备信号发生和检测功能，能够产生频率可调的方波信号，并能测量输入信号的频率和电压。

　　

　　1.1 主控电路模块

　　主控电路模块采用Altera 公司的MAX Ⅱ 系列EPM570T144C5N 作为控制芯片，MAXⅡ系列器件既具有FPGA 的查找表的体系结构和性能，又具有CPLD 存储数据非易失性、易于编程和瞬时接通的功能，应用更加灵活、方便。该系列器件由于编程时不需要外部存储器件这一在用户看来更容易识别的特性，所以被Altera公司归入CPLD.主控电路实现电路的动态重组，可按需配置成不同的连接，实现综合实验系统的不同模式，连接示意如图2所示。单片机模块、PLD模块、预留扩展接口模块、基本外设模块等通过标准I/O口直接和主控电路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 连接（实线双向箭头所示）。由于器件内部具有丰富的互连线，只需简单的硬件编程即可实现不同I/O接口之间的数据相互转发，即实现片上数据路由的功能。因此，通过硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）对该CPLD进行编程，即可完成其他功能模块之间的数据转发，实现这些模块之间的间接连接（虚心双向箭头所示）。对用户而言，用户只需要通过人机交互模块进行配置控制，选择需要的模式，就能调用预先存储好的不同连接配置信息，自动实现实验系统不同模块之间的动态连接。具体说来，有三种形式的连接：

　　（1）把基本外设模块、预留扩展接口模块、信号产生和测量连接到PLD模块，实现独立可编程逻辑器件实验平台的功能。同时可编程逻辑器件还可模拟74系列数字芯片，实现独立的数字电路与逻辑设计实验平台的功能。

　　（2）把基本外设模块、预留扩展接口模块、信号产生和测量连接到单片机模块，实现独立单片机实验平台的功能。

　　（3）把单片机模块与PLD 模块进行连接，再通过PLD 模块连接基本外设模块、预留扩展接口模块等，实现综合实验平台的功能。

　　对用户来说，这些模块之间是直接连接的，用户只能接触到基于动态重组电路之上的各个功能模块。

　　

　　主控电路EPM570T144C5 的具体连接电路如图3所示。

　　1.2 单片机模块

　　单片机模块目前选用器件为SST89E516RD，是SST公司生产的一款基于8051内核的8位单片机，最大特点是具有在线下载和在线调试功能。其管脚兼容AT89C51，时钟频率0~40 MHz，集成1 KB 片内RAM，64 KB+8 KB 的FLASH E2PROM.此外，单片机模块还配置温度传感器DS18B20，8 KB 串行E2PROMAT24C08.单片机器件通过标准接插件连接到EPM570T144C5N，可根据需要随时更换。　　

　　1.3 PLD模块该模块可根据需要更换不同的EDA核心板。

　　本实验系统采用自行设计的EDA核心板，选用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320个逻辑单元（LE）、46 个M9K 模块、423Mbit 的RAM、以及23 个18×18硬件乘法器、2个PLL、10个Gclks.该EDA核心板还提供8个独立按键，1个40 MHz的有源晶振。

　　

　　1.4 其他外围硬件资源

　　在人机交互模块、显示模块、以及矩阵按键模块还提供一些常用的硬件资源，包括：10位高精度A/D转换器ADS7822、12位高精度D/A转换器TLC5615、8个发光二极管、8个共阴7段数码管、字符液晶1602、带字库点阵液晶12864、蜂鸣器、4×4矩阵按键等。

　　1.5 扩展接口

　　可通过P3、P4两个40针双排插座实现与其他电路的连接，灵活支撑各类设计项目，有利于学生综合、创新能力的训练。

　　图4所示为扩展接口与核心电路EPM570T144C5N的连接示意。

　　2 实验系统模式

　　综合实验系统采用模式化结构，有0~7 共8 个模式，可通过人机交互模块中的按键S0~S4进行选择。其中模式0~4是单片机模式，模式5~7是可编程逻辑器件模式。不同模式下，电路的结构以及外围硬件资源均有不同。

　　2.1 单片机模式

　　图5 所示为模式0 的电路结构。在模式0 下，发光二极管连接在单片机的P0口，如果P0口相应位是逻辑“1”，则能够点亮对应的发光二极管。需要注意的是，P0口作为普通I/O口使用，需要接上拉电阻，图5仅为电路结构示意，实际电路中连接有5.1 kΩ。在模式0下，4×4矩阵按键不再作为矩阵按键使用，而是取矩阵按键中的K0~K7 作为独立按键连接到单片机的P2 口。该模式下，连接有DS18B20，AT24C08和ADS7822等硬件资源。

　　

　　

　　图6 所示为模式1 的电路结构。在模式1 下，矩阵按键中的K0~K3作为独立按键，连接到单片机的P2.0~P2.3 口。模式1 相对于模式0，增加了LCD1602、TLC5615 以及蜂鸣器。LCD1602 的数据线连接到单片机的P0 口，控制信号RS、RW 和E 分别连接到P2.5 口，P2.6口，P2.7口。为了简化编程，在模式1下，LCD1602被禁止读“忙”。这意味着，如果选用模式1对1602进行操作时，只能通过延时来实现控制。TLC5615的控制信号nCS和SCK分别连接到P3.2口和P3.6口，而串行数据则通过P3.7口进行传输。

　　模式2与模式1基本一致，区别在于将LCD1602换为12864.同样，模式2 也不允许对12864 进行读“忙”操作。

　　模式3是单片机I/O扩展模式，通过P0口和P2口进行I/O扩展；其中P0口用作数据通道，P2口用作控制通道。如：P2.0口用于使能发光二极管，P2.1口用于使能数码管的段选信号，P2.2 口用于使能数码管的位选信号，P2.3和P2.4控制矩阵按键，P2.5和P2.6控制液晶显示器。在模式3下，单片机可以使用实验系统上的所有外围硬件资源。

　　

　　模式4是单片机总线模式，所有外围硬件资源通过总线与单片机相连，外围硬件资源地址为0×0400~0×0600.

　　2.2 可编程逻辑器件模式

　　图7所示为模式5电路结构，即可编程逻辑器件模式。在模式5下，连接有发光二极管、数码管、4×4矩阵按键、TLC5615 以及蜂鸣器。SW0~SW7 是EDA 核心板上的8 个独立按键，按下为逻辑“0”。其中SW5 连接在EP3C10E144C8 芯片的多功能管脚nCEO 上，需要通过软件将该管脚设置为普通I/O 脚，否则按键SW5 不能使用。提供三个时钟信号，clk0 连接EDA 核心板上的40 MHz 有源晶振，clk1 和clk2 可在人机交互模块进行选择。

　　模式6 与模式5 基本一致，所不同的是模式6 没有连接数码管，而是连接LCD1602.同样，在模式6 下，1602不允许“读忙”操作。模式7将模式6的1602换为12864，其他连接完全相同。

　　3 实验系统应用

　　综合实验系统制为实验箱的形式，如图8所示。目前已在我校承担了“单片机原理与应用”和“可编程逻辑器件与应用”两门课程的相关实验。

　　

　　

　　（1）“单片机原理与应用”相关实验

　　包括流水灯的实现、数码管显示设计、接口技术--按键、串口通信、A/D转换、D/A转换、数字电压表的设计、数控信号发生器的设计、数字温度计的设计、彩灯控制系统的设计、电子万年历的设计等［4］。

　　（2）“可编程逻辑器件原理与应用”相关实验

　　包括：计数器的设计、LPM模块的应用、数控分频器的设计、数码管显示设计、数字频率计的设计、硬件电子琴的设计、矩阵键盘扫描电路的设计、直接数字频率合成器（DDS）的设计、D/A转化控制、字符型LCD显示、数字调制模块的设计、循环冗余校验模块的设计等。

　　4 结语

　　设计良好的实验系统能够为学生学习电子技术提供优越的实验环境。该综合实验系统采用模式化结构、电路动态重组、预留扩展接口，较好地适应课程实验教学的要求。从2009 年投入批量生产以来，学生反映良好，极大地提升了实验教学的效果。此外，还为本科毕业生提供了毕业设计的综合实验平台，能够满足多种教学需求。