基于组件的开放式单片机实验平台的研制

黄晓林

(广东松山职业技术学院 电气工程系，广东 韶关 512126)

单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，具有功能强大、设计灵活和稳定可靠等诸多优点而被广泛应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品设备的更新换代起着重要的推动作用［1］。目前几乎所有高等院校的理工科电气类专业都开设了单片机应用技术课程，课程内容涉及硬件电路设计和软件程序设计等多方面的知识，是一门理论性和实践性均很强的学科。在传统的单片机技术教学模式下，单片机技术的实践性教学过程一般使用实验箱通过做实验来完成。但是由于实验箱生产厂家不提供全套设备的电路原理图，导致实验箱维护维修非常困难，实验室管理员不得不将故障实验箱寄回生产厂家维修，不但费用高，而且周期较长，难于保证正常开展单片机技术实验教学任务。同时由于实验箱的电路硬件固定不变，硬件资源陈旧有限，又没有开放I/O接口资源，不但难于根据教材内容的更新相应地改动实验内容，而且对于应用新材料、新元件开发研究新课题也非常困难。

基于上述客观存在的实际问题，本文提出一种基于“即插即用”组件为指导思想的开放式单片机实验平台研制方法。实验平台提供通用主板和基本独立功能的组件板，完全开放所有的I/O接口资源，既可以单独使用一块组件板，也可以组合选择多块组件板，还可以用自主选材、自主设计和焊接功能组件板，然后通过统一的接线方式接插到通用主板上组成控制系统，不但能很好地完成单片机实验教学任务和开发研究新课题，而且把硬件故障率最大限度地平均分配到各功能组件板上，硬件维修方便。

1 实验平台的基本组成及其特点

开放式实验平台由通用主板和功能相互独立的组件板组成。其中通用主板内部具有RS－232串行通信功能，支持功能组件板的下降沿或上升沿中断信号请求，能为功能组件板提供多种频率的信号，同时对功能组件板完全开放所有的I/O资源。实验平台提供的组件板有基本输入输出组件、SPI总线接口组件、I2C总线接口组件、液晶显示器组件、A/D转换组件和D/A转换组件等一般单片机实验教学中常用的电路接口。

与普通实验箱相比开放式实验平台结构更简单，使用更方便灵活，在技术创新方面具有如下特点:(1)每块组件板在功能上是相互独立的，但在与通用主板的接口上是统一的，都能接插到通用主板的任意一个I/O接口。既可单独一块组件板与通用主板连接组成简单的控制系统，也可选择几块组件板组合与通用主板连接组成复杂的控制系统，对编写的软件进行功能验证;还可把临时焊接的自主设计功能组件板接插到通用主板上对硬件电路进行调试，实现实验平台的即插即用功能。(2)可以直接通过RS－232串行通信接口在系统下载目标程序到程序储存器上后直接运行，不再需要仿真器或专门的程序烧录器，软件功能的验证和硬件电路的调试都方便。(3)能把硬件故障率最大限度地平均分配到功能组件板上，通过运行硬件维护自动检测程序能快速判断硬件故障的类型和大致的位置，硬件故障排除简单。

2 实验平台的硬件设计

2.1 通用主板的电路设计

通用主板是实验平台的基板，选择可在系统编程的STC89C52单片机为控制核心，通过插座的方式完全开放所有的I/O资源，通用主板的电路原理图如图1所示。

图1 通用主板的电路原理图

其中STC89C52单片机有512个字节的片内RAM数据存储器和8K字节片内FLASH程序存储器，不需要外扩存储器，完全能够满足一般单片机实验教学时临时组建的控制系统程序运行和数据存储的需要［2－5］。拨动开关S1和芯片74LS04组成为功能组件板外部中断请求的信号输入，当功能组件板的外部中断请求信号为下降沿时，中断请求信号由拨动开关直接输入到单片机;当功能组件板的外部中断请求信号为上升沿时，中断请求信号由芯片74LS04反向后再由拨动开关输入到单片机。芯片74LS393对单片机的ALE信号进行分频，为外部功能组件板提供多种频率信号。为能更好地控制使用外部功能组件板，由芯片74LS138译码器为通用主板的每个I/O接口分配I/O地址。

通用主板自带有串行通信接口电路，上位PC机与通用主板通过串行通信接口电路相互传输数据，也可以将目标程序从串行通信接口直接下载到单片机程序存储器。由于上位PC机配置的标准通信接口的信号电平为±12 V，而单片机的输入输出信号为TTL电平，所以上位PC机与单片机之间的连接需要通过芯片MAX232进行电平转换。

2.2 基本输入、输出组件的电路设计

基本输入、输出组件用来完成单片机输入输出程序控制的验证式实验。图2为基本输入、输出组件的电路原理图，两个开关组成四个状态为输入设备，八个发光二极管组成流水灯为输出设备。组件通过拨动开关既可以用直通方式控制，也可以用固定I/O地址方式控制。由于单片机I/O口的驱动能力有限，所以通过芯片74HC245为流水灯提供驱动电流。

2.3 SPI总线接口组件的电路设计

SPI总线接口是一种高速的同步串行接口，主要应用于单片机与外部接口芯片的数据交换，已经逐步成为一种标准的工业接口。SPI总线接口组件用来完成单片机在SPI总线方式下程序控制的验证式实验，如图3所示。74HC595芯片是一个串行输入、并行输出的带锁存移位寄存器，在同步时钟信号SRCLK的控制下，数据从串行输入端SER写入移位寄存器。当全部数据写完之后，在同步时钟信号RCLK的控制下，再把移位寄存器中的数据一次性转存到存储寄存器中并全部输出控制数码管动态显示［6－8］。

图2 串行通信接口的电路原理图

图3 基本输入、输出组件的电路原理图

2.4 D/A转换组件的电路设计

D/A转换组件用来完成在单片机程序控制下将输入的数字信号转换成模拟信号输出的验证式实验，如图4所示。其中DA0832芯片是电流输出型8位D/A转换器，电路采用单缓冲接口方式，通过LM358运算放大器将电流信号转换成电压信号，调节可调电阻可以调节输出的模拟信号幅值。

2.5 A/D转换组件的电路设计

A/D转换将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，A/D转换接口是单片机技术应用系统中最重要的硬件接口技术。A/D转换组件用来完成在单片机程序控制下A/D转换的验证式实验，如图5所示。其中ADC0809芯片是8位逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量的输入通道，但在某一时刻只能选择一个输入通道进行A/D转换。本组件只使用输入通道0，模拟信号量通过可调电阻调节产生。由于ADC0809芯片的A/D转换结束标志的输出端EOC在A/D转换期间输出为低电平，而在A/D转换结束后输出为高电平。因此，使用中断方式进行A/D转换时，A/D转换结束标志输出端EOC必须与通用主板的74LS04芯片连接，经反向后再连接到单片机的外部中断请求输入端。

图4 D/A转换组件的电路原理图

图5 A/D转换组件的电路原理图

3 实验平台的维护程序设计

开放式单片机实验平台的各组件板在功能上基本是独立的，都可以通过统一的接线方式直接插到通用主板上组成简单的控制系统。当某块功能组件板有故障时并不影响其他组件板的功能，因此可以把实验平台的硬件故障率最大限度地平均分配到各功能组件板上。由于由通用主板和单个组件板组成的简单控制系统的元器件较少，因此硬件故障维修方便。为提高硬件故障维修效率，可以针对特定的组件板编写特定的硬件检测程序来检测故障，并利用显示或声音报警的方式来指示硬件故障的类型和可能位置。图6为SPI总线接口组件检测程序的流程图，当检测程序运行时，通过数码管显示可以很容易地判断是数码管还是74HC595芯片的故障。

图6 SPI总线组件检测程序流程图

4 结束语

开放式单片机实验平台的各组件板在功能上是相互独立的，这种设计能把硬件故障率最大限度地平均分配到功能组件板上，硬件故障排除方便快捷。由于采用可在系统编程技术，不再需要仿真器或专门的程序烧录器就能实现目标程序和硬件电路的在线调试，极大地提高了实验平台利用率。结果表明，实验平台的灵活性好，不但能很好地配合单片机课堂理论教学的相关内容开展实验，而且通过完全开放的I/O接口，有较大的扩展空间，支持临时焊接的自主设计功能组件板组建控制系统进行跨课程、跨专业的新课题的研究，对提高师生单片机技术的实际应用能力具有较高的实用性。

［1］宏晶科技(深圳)有限公司.STC89C52系列单片机器件手册［S］.

［2］肖大薇.单片机创新实验板系统的设计与应用［J］.电子设计工程，2012，20(19):29－32.

［3］邹家柱.单片机实验开放板的设计与实现［J］.装备制造技术，2011(7):75－77.

［4］汪健，杨风开.一种新型单片机/ARM/DSP实验装置的研制［J］.电气电子教学学报，2012，34(2):65－67.

［5］胡汗才.单片机原理及其接口技术［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［6］雷伏容.单片机常用模块设计查询手册［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［7］陈海松.单片机应用技能项目化教程［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［8］李法春.C51单片机应用设计与技能训练［M］.北京:电子工业出版社，2011.