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

1、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 “ 數(shù)字與規(guī)律設(shè)計(jì)”、“ 可編程規(guī)律器件與應(yīng)用”、“原理與應(yīng)用”是類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程，在電工電子教學(xué)中占有十分重要的地位，也是現(xiàn)代 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，同學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于通過(guò)實(shí)踐，真正把握軟硬件的有機(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)字電路與規(guī)律設(shè)計(jì)”課程是“可編程規(guī)律器件與應(yīng)用”課程的基礎(chǔ)，且隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)展，傳統(tǒng)的采納分立元件完成數(shù)字電路試驗(yàn)的辦法也逐漸被可編程規(guī)律器件所替代。同時(shí)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，常常會(huì)需要利用74系列器件和可編程規(guī)律器件對(duì)單片機(jī)外圍電路舉行擴(kuò)展。

2、因此，三門課程在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不行分割。雖然目前市場(chǎng)上有各種各樣的數(shù)字電路、eda 或單片機(jī)的教學(xué)設(shè)備，但大多是自立的、“單板式”的設(shè)計(jì)模式，即使有少量綜合性試驗(yàn)平臺(tái)，也只是容易的把幾門課程的試驗(yàn)資源集成到一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，然后按照需要采納導(dǎo)線銜接，和自立的試驗(yàn)平臺(tái)之間并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)分。此外，不同試驗(yàn)平臺(tái)中的某些功能模塊的硬件電路是相同的；但在不同的試驗(yàn)設(shè)備上，相同的模塊并不能分享，存在資源的鋪張。最后，一體化的設(shè)計(jì)難于舉行功能的擴(kuò)展，不利于同學(xué)舉行創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在這種狀況下，從培養(yǎng)同學(xué)的創(chuàng)新精神和提高綜合利用所學(xué)學(xué)問(wèn)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力動(dòng)身，迫切需要一種既能完成每門課程的自立試驗(yàn)，又能完成綜

3、合性設(shè)計(jì)試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)。本試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)上述問(wèn)題，采納電路動(dòng)態(tài)重組的方式，提供07共8個(gè)模式，在一套試驗(yàn)系統(tǒng)上既含有數(shù)字電路常用規(guī)律芯片的功能，也含有可編程規(guī)律器件、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。試驗(yàn)系統(tǒng)還預(yù)留擴(kuò)展接口，可以將設(shè)計(jì)的擴(kuò)展電路銜接到試驗(yàn)系統(tǒng)，有利于訓(xùn)練同學(xué)的創(chuàng)新能力。1 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃綜合試驗(yàn)系統(tǒng)采納電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)計(jì)劃，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖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)全部資源之間的隨意銜接。人機(jī)交互模塊通過(guò)12864 和按鍵提

4、供友好的配置界面，實(shí)現(xiàn)模式的挑選、設(shè)置信號(hào)的參數(shù)以及觀看測(cè)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。綜合試驗(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。1.1 主控電路模塊主控電路模塊采納 公司的max 系列epm570t144c5n 作為控制芯片，max系列器件既具有 的查找表的體系結(jié)構(gòu)和性能，又具有 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)用越發(fā)靈便、便利。該系列器件因?yàn)榫幊虝r(shí)不需要外部存儲(chǔ)器件這一在用戶看來(lái)更簡(jiǎn)單識(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

5、同的銜接，實(shí)現(xiàn)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的不同模式，銜接暗示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口挺直和主控電路中的cpld 器件epm570t144c5n 銜接（實(shí)線雙向箭頭所示）。因?yàn)槠骷?nèi)部具有豐盛的互連線，只需容易的硬件編程即可實(shí)現(xiàn)不同i/o接口之間的數(shù)據(jù)互相轉(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舉行編程，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銜接（謙虛雙向箭頭所示）。對(duì)用戶而言，用戶只需要通過(guò)人機(jī)交互模塊舉行配置控制，挑選需要的模式，就能調(diào)用

6、預(yù)先存儲(chǔ)好的不同銜接配置信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)不同模塊之間的動(dòng)態(tài)銜接。詳細(xì)說(shuō)來(lái)，有三種形式的銜接：（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)量銜接到pld模塊，實(shí)現(xiàn)自立可編程規(guī)律器件試驗(yàn)平臺(tái)的功能。同時(shí)可編程規(guī)律器件還可模擬74系列數(shù)字芯片，實(shí)現(xiàn)自立的數(shù)字電路與規(guī)律設(shè)計(jì)試驗(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)量銜接到單片機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)自立單片機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的功能。（3）把單片機(jī)模塊與pld 模塊舉行銜接，再通過(guò)pld 模塊銜接基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊等，實(shí)現(xiàn)綜合試驗(yàn)平臺(tái)的功能。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，這些模塊之間是挺直銜接的，用戶只能接觸到基于動(dòng)態(tài)重組電路之上的各個(gè)功

7、能模塊。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040 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ds18b20，8 kb 串行e2promat24c08.單片機(jī)器件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接插件銜接到epm570t144c5n，可按照需要隨時(shí)更換。1.3 pld模塊該模塊可按照需要更換不同的eda核心板本試驗(yàn)系統(tǒng)采納自行設(shè)計(jì)的eda核心板，選用altera公司的cyclone系列ep3c10e

8、144c8，含有10 320個(gè)規(guī)律單元（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)自立按鍵，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、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)與其他電路的銜接，靈便支撐

9、各類設(shè)計(jì)項(xiàng)目，有利于同學(xué)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的銜接暗示。2 試驗(yàn)系統(tǒng)模式綜合試驗(yàn)系統(tǒng)采納模式化結(jié)構(gòu)，有07 共8 個(gè)模式，可通過(guò)人機(jī)交互模塊中的按鍵s0s4舉行挑選。其中模式04是單片機(jī)模式，模式57是可編程規(guī)律器件模式。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，銜接在單片機(jī)的p0口，假如p0口相應(yīng)位是規(guī)律“1”，則能夠點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管。需要注重的是，p0口作為一般i/o口用法，需要接上拉，圖5僅為電路結(jié)構(gòu)暗示，實(shí)際電路中銜接有5.1 k。在模式0下，4×

10、4矩陣按鍵不再作為矩陣按鍵用法，而是取矩陣按鍵中的k0k7 作為自立按鍵銜接到單片機(jī)的p2 口。該模式下，銜接有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k0k3作為自立按鍵，銜接到單片機(jī)的p2.0p2.3 口。模式1 相對(duì)于模式0，增強(qiáng)了lcd1602、tlc5615 以及蜂鳴器。lcd1602 的數(shù)據(jù)線銜接到單片機(jī)的p0 口，控制信號(hào)rs、rw 和e 分離銜接到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，假如選用模式1對(duì)1602舉行操作時(shí)，只能通過(guò)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)

11、控制。tlc5615的控制信號(hào)ncs和sck分離銜接到p3.2口和p3.6口，而串行數(shù)據(jù)則通過(guò)p3.7口舉行傳輸。模式2與模式1基本全都，區(qū)分在于將lcd1602換為12864.同樣，模式2 也不允許對(duì)12864 舉行讀“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口舉行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)可以用法試驗(yàn)系統(tǒng)上的全部外圍硬件資源。模式4是單片機(jī)模式，全部外圍硬

12、件資源通過(guò)總線與單片機(jī)相連，外圍硬件資源地址為0×04000×0600.2.2 可編程規(guī)律器件模式圖7所示為模式5電路結(jié)構(gòu)，即可編程規(guī)律器件模式。在模式5下，銜接有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、4×4矩陣按鍵、tlc5615 以及蜂鳴器。sw0sw7 是eda 核心板上的8 個(gè)自立按鍵，按下為規(guī)律“0”。其中sw5 銜接在ep3c10e144c8 芯片的多功能管腳nceo 上，需要通過(guò)軟件將該管腳設(shè)置為一般i/o 腳，否則按鍵sw5 不能用法。提供三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，clk0 銜接eda 核心板上的40 mhz 有源晶振，clk1 和clk2 可在人機(jī)交互模塊舉行挑選。模式6 與

13、模式5 基本全都，所不同的是模式6 沒(méi)有銜接數(shù)碼管，而是銜接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，其他銜接徹低相同。3 試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用綜合試驗(yàn)系統(tǒng)制為試驗(yàn)箱的形式，8所示。目前已在我校擔(dān)當(dāng)了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“可編程規(guī)律器件與應(yīng)用”兩門課程的相關(guān)試驗(yàn)。（1）“單片機(jī)原理與應(yīng)用”相關(guān)試驗(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）“可編程規(guī)律器件原理與應(yīng)用”相關(guān)試驗(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)、挺直數(shù)字頻率合成器（dd