摘要：提出一種單片機多功能實驗儀的設計方法，該方法利用ATmega8單片機的在線自編程Flash和片載外圍接口電路等資源優(yōu)勢，克服了傳統51系列芯片的資源有限、低性能等應用弊端，提高了單片機實驗儀的性價比，使單片機實驗開發(fā)系統更簡單、輕便、易于更新和升級。在實際的教學和科研使用中取得了良好的效果。
關鍵詞：ATmega8；單片機；多功能實驗儀；PWM；擴展模塊
O 引言
由于嵌入式系統應用技術的不斷發(fā)展，對于核心處理器性能的要求越來越高，一些傳統的51系列控制芯片已經難以勝任許多復雜的任務。因此，我們通過調研分析，自行開發(fā)了一套基于ATmega8高性能系列單片機的實驗開發(fā)系統。ATMEL公司的ATmegs8單片機是一種具有獨特結構的8-bit RISC CPU，其在線自編程Flash和單時鐘指令，為C語言、Basic語言優(yōu)化的指令系統設置，以及豐富的片載外圍接口電路，使功能強大的ATmegs8單片機成為一款高度靈活和高性價比的芯片，為許多高端嵌入式系統設計提供了優(yōu)秀的解決方案。
1 系統總體設計
單片機多功能實驗儀硬件的總體設計原理框圖如圖l所示：
單片機實驗開發(fā)應用系統中ATmega8 MCU核心模塊通過RS-232與PC上位機進行通信，充分利用PC機的資源。電源部分采用USB與PC機進行連接，采用上位機的電源。另外，該實驗開發(fā)系統設計有下載器，只需一條下載線即可開始工作，不需購買昂貴的編程器，使用方便，節(jié)約了成本?？梢员ＷC實驗系統具有較高的性價比。
在實驗軟件上，既可以使用C語言也可以使用BASCOM-AVR編程軟件。BASCOM-AVR編程軟件為開發(fā)AVR單片機提供了功能強大、簡潔方便的軟件平臺，其與QB高度兼容的BASIC語言易懂好學；功能齊備的硬件仿真平臺，使單片機的學習、實驗、開發(fā)，顯得簡單、容易而富有樂趣，許多設計在計算機仿真中就可得知結果。有了BASCOM-AVR，使大規(guī)模地推廣普及AVR單片機成為可能，為許多高端嵌入式系統設計提供了優(yōu)秀的解決方案。
2 硬件電路的設計
2．1 CPU模塊的設計
ATmegs8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機。ATmegs8內部集成有豐富的硬件接口電路，2個具有比較模式的預分頻器(Separate Prescale)的8位定時／計數器。1個預分頻器(Separat Prescale)，具有比較和捕獲模式的16位定時／計數器，1個具有獨立振蕩器的異步實時時鐘(RTC)，3個PWM通道，可實現任意<16位、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出，8通道A／D轉換(TQFP、MLF封裝)，6路10位A／D+2路8位A／D，6通道A／D轉換(PDIP封裝)，4路10位A／D+2路8位A／D，1個I2C的串行接口，支持主／從、收發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁，1個可編程的串行USART接口，支持同步、異步以及多機通信自動地址識別，1個支持主／從(Master／Slave)、收／發(fā)的SPI同步串行接口，帶片內RC振蕩器的可編程看門狗定時器，片內模擬比較器。圍繞核心芯片所設計的CPU模塊如圖2所示。
圖中的復位電路RESET有二種選擇：外部復位，J10必須插上短路塊；或PC6作I／O口用，J10拔出短路塊。
圖中的晶振電路XTAL1和XTAL2分別是片內振蕩器的反向放大器的輸入、輸出端，外接一個晶體振蕩器，通過對熔絲位CKOPT編程和設定C9、C10的取值范圍(12μm～22 μm)使ATmega8有較寬的工作頻率范圍(3．O MHz～8．0 MHz)。晶振有兩種選擇：外接8 MHz無源晶振，(也可外接8 MHz有源晶振，當外接無源晶振不能起振時，用有源晶振就能解決問題，超頻也能起振)，或用內部RC振蕩器。當J11與J12插上短路塊時，為用外接無源晶振；當J11與J12不插短路塊時，則用ATmega8內部振蕩器。
另外，模塊還設計有JTAG接口和ISP編程接口(ISP即in-System Programmable)。JTAG接口可以通過下載器將單片機與微型計算機的并行接口連接。ISP編程接口是在線下載或讀取芯片內部程序時用的，各引腳的含義如圖3所示。其中l(wèi)腳與ATmega8的PB3連接。4、6、8、lO接地，5腳與ATmega8的PC6連接，7腳與ATmesa8的PB5連接，9腳與ATmega8的PB4連接。
2．2 下載器模塊
下載器由接口板和連接電纜組成。接口板的原理圖見圖4。圖中U201是8緩沖器74HC244電路，用作計算機并口和單片機的緩沖隔離。連接器CN202是通用的DB25針插頭，與上位機連接，進行通信；其中4、5腳控制U201芯片，在其低電平時允許數據正常傳輸，高電平時74HC244的輸出呈高阻狀態(tài)；7腳輸出數據到單片機；6腳是時鐘信號；9腳是輸出復位信號；10腳是接收從單片機讀出的數據。下載電纜采用10芯扁平電纜，兩頭壓有IDC插頭。一端接下載器，另一端接最小系統板上的ISP口JP1。
2．3 實驗儀其他電路設計
2. 3. 1 A／D轉換電路
圖5為A／D轉換電路，ATmega8內部有一個1O位精度的A／D轉換器，其精度是±2LSB，非線性度為O．5 LSB，轉換時間為65μs～260μs，PC0～PC3模擬輸入通道的轉換精度是10位，PC4～PC5模擬輸入通道的轉換精度是8位，本實驗儀使用PC5輸入，參考電壓Vref采用芯片內部提供的參考電壓，在外部用電容C5和C6將引腳接地可以提高ADC部分的抗干擾能力。通過調節(jié)W1可以改變輸入的電壓。CZ4為外部A／D轉換接口。
2．3．2 LED顯示與脈寬調制電路
為了配合學生基本I／O口設計要求，在實驗儀上擴展有LED／LCD顯示接口電路和脈寬調制電路，如圖6所示。
脈寬調制電路利用ATmega8單片機的一個輸出端子OC2，是PB3引腳的第二功能，可以作為比較匹配輸出或PWM輸出。在實驗板上將跳線器J6斷開即是PWM的輸出。該輸出的PWM除了可以直接驅動直流電動機的PWM驅動信號，還可以經過RC平滑濾波用做數字量／模擬量轉換。另外，使用PWM驅動，功率半導體器件的功耗大大低于模擬信號驅動。
2．3．3 I2C電路和串行接口的設計
I2C電路為由AT24C02芯片與串行TWI總線(PC4、PC3)連接形成的。其中PC4為SCL時鐘線，PC2為SDA數據線，通過AT24C02芯片形成I2C總線器1／4(圖略)。串行接口電路分為與PC機的通信接口和兩個單片機之間的通信接口，見圖7中的CZ3(CON3單片機串行通信接口)和CZ4(CON2單片機與PC機串行通信接口)。CZ2是RS232接口，可做PC機與ATmega8的異步串行UART通訊用，可把PC機屏幕作為用戶顯示終端使用，可充分利用PC機資源。
在使用該接口與微機進行通信時使用RS-232接口線，RS-232屬于單端信號傳送，適應于短距離或帶調制解調器的通訊場合。
經過以上電路的設計，根據電路原理完成的PCB板的制作，焊接相應元器件并進行調試后形成的實驗儀硬件開發(fā)板如圖8所示。
3 BASCOM-AVR集成開發(fā)軟件
ATMEL公司的AVR系列單片微控制器是基于新的精簡指令RISC結構的，其開發(fā)目的就是在于能采用高級語言編程，從而能高效地開發(fā)出目標產品。目前國際上已有許多公司推出了C、Basic等基于高級程序設計語言的AVR開發(fā)軟件和平臺?；贏Tmega8的實驗開發(fā)板上使用以BASIC
語言為手段開發(fā)平臺一BASCOM-AVR。它的程序設計簡潔、方便，專用的面向各種通用接口，且具有功能強大的語句，實物圖形化的仿真平臺等特點，配合AVR單片微控制器程序存儲器可多次編程在線下載的優(yōu)點，使學習和使用AVR單片微控制器變得十分容易。
4 總結與展望
基于ATmega8單片機實驗儀上集成了LCD液晶顯示模塊、LED數碼管顯示模塊、鍵盤模塊、A／D和D／A轉換模塊、通用I／O接口模塊、通訊接口模塊等常用實驗模塊，利用AVR單片機開發(fā)實驗基本系統，可以完成一些基本的實驗，滿足學生基本實驗的要求；同時板間預留有可擴展的空間以滿足學生進行創(chuàng)新設計、綜合課程設計、課外科技活動和畢業(yè)設計等課程的實踐訓練活動要求，該實驗系統經機電專業(yè)07級、08級，電子技術07級08級學生的試用，效果較為顯著。不但實現了將實驗室搬進寢室，而且激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，為今后快速適應工作崗位打下堅實的基礎。
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