基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案

　　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(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)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(mén)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(guò)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[1].另一方面，三門(mén)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(huì)需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對(duì)單片機(jī)外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展。因此，三門(mén)課程在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可分割。

　　雖然目前市場(chǎng)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(tái)，也只是簡(jiǎn)單的把幾門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)資源集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(tái)之間并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。此外，不同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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)[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(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力出發(fā)，迫切需要一種既能完成每門(mén)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(tái)。

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)上述問(wèn)題，采用電路動(dòng)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(mǎn)足三門(mén)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(hào)的參數(shù)以及觀察測(cè)量結(jié)果等功能。

　　顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統(tǒng)稱(chēng)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(hào)發(fā)生和檢測(cè)功能，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)，并能測(cè)量輸入信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)器件這一在用戶(hù)看來(lái)更容易識(shí)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(dòng)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(guò)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(jiǎn)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(guò)硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)對(duì)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(duì)用戶(hù)而言，用戶(hù)只需要通過(guò)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(chǔ)好的不同連接配置信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同模塊之間的動(dòng)態(tài)連接。具體說(shuō)來(lái)，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(hào)產(chǎn)生和測(cè)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(tái)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(tái)的功能。

　　(2)把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)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(tái)的功能。

　　(3)把單片機(jī)模塊與PLD 模塊進(jìn)行連接，再通過(guò)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(tái)的功能。

　　對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這些模塊之間是直接連接的，用戶(hù)只能接觸到基于動(dòng)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)接插件連接到EPM570T144C5N,可根據(jù)需要隨時(shí)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(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(kù)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(guò)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(lèi)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(guò)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(duì)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。[!--empirenews.page--]

　　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(duì)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(hào)RS、RW 和E 分別連接到P2.5 口，P2.6口，P2.7口。為了簡(jiǎn)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(duì)1602進(jìn)行操作時(shí)，只能通過(guò)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。TLC5615的控制信號(hào)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(guò)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(duì)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(guò)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(hào)，P2.2 口用于使能數(shù)碼管的位選信號(hào)，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(guò)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(guò)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(hào)，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(méi)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(mén)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

　　(1)“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(hào)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(wàn)年歷的設(shè)計(jì)等[4].

　　(2)“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(pán)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[5].

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　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[6].該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu)、電路動(dòng)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(lái)，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(tái)，能夠滿(mǎn)足多種教學(xué)需求。