基于實驗系統(tǒng)采用電路可動態(tài)重組的設(shè)計方案

0 引言

“ 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”、“ 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)的實踐應(yīng)用性，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點在于通過實踐，真正掌握軟硬件的有機(jī)結(jié)合和實際系統(tǒng)的應(yīng)用能力[1].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”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)字電路實驗的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時，在實際的工程應(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，但大多是獨立的、“單板式”的設(shè)計模式，即使有少量綜合性實驗平臺，也只是簡單的把幾門課程的實驗資源集成到一個實驗平臺，然后根據(jù)需要采用導(dǎo)線連接，和獨立的實驗平臺之間并沒有本質(zhì)的區(qū)別。此外，不同實驗平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的;但在不同的實驗設(shè)備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費。最后，一體化的設(shè)計難于進(jìn)行功能的擴(kuò)展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新項目的設(shè)計[2?3].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立實驗，又能完成綜合性設(shè)計實驗的實驗平臺。

本實驗系統(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個模式，在一套實驗系統(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，可同時滿足三門課程的教學(xué)需要。

實驗系統(tǒng)還預(yù)留擴(kuò)展接口，可以將設(shè)計的擴(kuò)展電路連接到實驗系統(tǒng)，有利于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計方案

綜合實驗系統(tǒng)采用電路可動態(tài)重組的設(shè)計方案，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。綜合實驗系統(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、易于編程和瞬時接通的功能，應(yīng)用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時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.主控電路實現(xiàn)電路的動態(tài)重組，可按需配置成不同的連接，實現(xiàn)綜合實驗系統(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現(xiàn)不同I/O接口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)，即實現(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，自動實現(xiàn)實驗系統(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，實現(xiàn)獨立可編程邏輯器件實驗平臺的功能。同時可編程邏輯器件還可模擬74系列數(shù)字芯片，實現(xiàn)獨立的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗平臺的功能。

(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，實現(xiàn)獨立單片機(jī)實驗平臺的功能。

(3)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，實現(xiàn)綜合實驗平臺的功能。

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)，最大特點是具有在線下載和在線調(diào)試功能。其管腳兼容AT89C51,時鐘頻率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)需要隨時更換。

1.3 PLD模塊該模塊可根據(jù)需要更換不同的EDA核心板。本實驗系統(tǒng)采用自行設(shè)計的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8,含有10 320個邏輯單元(LE)、46 個M9K 模塊、423Mbit 的RAM、以及23 個18×18硬件乘法器、2個PLL、10個Gclks.該EDA核心板還提供8個獨立按鍵，1個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個發(fā)光二極管、8個共陰7段數(shù)碼管、字符液晶1602、帶字庫點陣液晶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40針雙排插座實現(xiàn)與其他電路的連接，靈活支撐各類設(shè)計項目，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 實驗系統(tǒng)模式

綜合實驗系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu)，有0~7 共8 個模式，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，只能通過延時來實現(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)可以使用實驗系統(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 個獨立按鍵，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。提供三個時鐘信號，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 實驗系統(tǒng)應(yīng)用

綜合實驗系統(tǒng)制為實驗箱的形式，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)實驗。

(1)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”相關(guān)實驗

包括流水燈的實現(xiàn)、數(shù)碼管顯示設(shè)計、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、數(shù)控信號發(fā)生器的設(shè)計、數(shù)字溫度計的設(shè)計、彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計、電子萬年歷的設(shè)計等[4].

(2)“可編程邏輯器件原理與應(yīng)用”相關(guān)實驗

包括：計數(shù)器的設(shè)計、LPM模塊的應(yīng)用、數(shù)控分頻器的設(shè)計、數(shù)碼管顯示設(shè)計、數(shù)字頻率計的設(shè)計、硬件電子琴的設(shè)計、矩陣鍵盤掃描電路的設(shè)計、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的設(shè)計、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、循環(huán)冗余校驗?zāi)K的設(shè)計等[5].

4 結(jié)語

設(shè)計良好的實驗系統(tǒng)能夠為學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)提供優(yōu)越的實驗環(huán)境[6].該綜合實驗系統(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)課程實驗教學(xué)的要求。從2009 年投入批量生產(chǎn)以來，學(xué)生反映良好，極大地提升了實驗教學(xué)的效果。此外，還為本科畢業(yè)生提供了畢業(yè)設(shè)計的綜合實驗平臺，能夠滿足多種教學(xué)需求。