多功能单片机与CPLD实验板的设计
学习过程中，不少学生都会从网店购买各种小型实验板，好处是能够直接使用，缺陷是学生对实验板系统的硬件了解不够深入[3]；购买的实验板通常只能满足某一门课程的教学需求，利用率较低，且价格较贵，各类实验板的共性部分不能重复使用。从降低学生的学习成本，提高学生动手能力，培养学生掌握微处理器架构设计方法，满足企业对求职者的技能要求这4个角度出发，自制一款将单片机与复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）合二为一，能够满足多门课程教学需求，且可以进行硬件仿真、烧录程序的实验教学仪器。
1 总体设计思路与方案为了使设计的实验板具有较强的扩展性、适用性、稳定性及性价比，主要从以下几个角度出发，构思功能模块及硬件电路：
（1） 实验板可根据需要，安装不同型号的单片机，不需要额外的硬件设备支持，即可实现硬件仿真与下载功能。其他已烧录程序的DIP40封装通用51系列单片机，可直接安装在实验板上，利用实验板上的模块进行实验。
（2） 实验板集成输入模块、输出模块、串行总线模块、模拟量模块、自动控制模块和障碍物检测模块等，使得实验板拥有强大的外围支持，这些模块可以用单片机或者CPLD单独控制，能够提高外围器件的利用率，节约设备购置成本[4]。
（3） 单片机与CPLD的所有I/O接都通过排针引出，方便使用者以此实验板为母板，连接控制其他设备，进行二次开发实验。
（4） 所有价格较贵的芯片、显示器件、模块等都不是直接焊接在实验板上，而是安装在实验板上焊接的紧缩座、管座、圆孔母座、排座等上面，方便拆卸，以便在其他系统中重复使用。单片机及CPLD的时钟电路所使用的晶振也安装在圆孔母座上，方便使用者根据实验需要调换不同频率的晶振。
（5） 实验板的所有功能模块均连接至单片机I/O，做CPLD实验时，将单片机卸下，用杜邦线连接CPLD的I/O至单片机I/O，即可用CPLD控制各功能模块。对于共用单片机I/O的各功能模块，使用者均可通过短路端子控制其电源或者数据线等，避免实验项目的冲突。
2 系统硬件结构
实验板电路连接方框结构示意图如图1所示，主要包括单片机最小系统、CPLD最小系统、功能模块及电源模块四大部分。功能模块主要有输入模块、输出模块、串行总线模块、障碍物检测模块和模拟量模块5种。单片机最小系统由单片机、单片机复位电路、单片机时钟电路及单片机I/O扩展接口构成。单片机通过电平转换电路连接9针母座的单片机编程/调试接，计算机通过串连接单片机编程/调试接，实现硬件仿真与程序烧录功能，单片机可以是宏晶科技公司的STC12C5A60S2和STC89C52RC、飞利浦公司的P89C52RD2、SST公司的SST89E516RD等通用DIP40封装51系列单片机。单片机I/O扩展接由P0～P3引出，连接至各功能模块。
CPLD最小系统包括CPLD芯片EPM7128SLC84、CPLD时钟电路、CPLD复位电路及CPLD I/O口扩展接口，计算机可通过JTAG接口电路将程序加载至CPLD
[5]。输入模块包括8位拨码开关、矩阵键盘及一体化红外接收头，在键盘工作方式控制端子的控制下，矩阵键盘可工作于4×4行列式键盘及1×4独立按键两种工作方式，以提高硬件的利用率。输出模块包括中文字符液晶/触摸彩屏接、12864 OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）液晶接口、1602字符液晶接、8位发光二极管电路、8×8单色LED点阵电路、四位一体共阳数码管电路、蜂鸣器电路、电机接及继电器电路。中文字符液晶/触摸彩屏接口可安装12864中文字符液晶或
2.4寸TFT触摸彩屏， LED驱动电路由8个PNP型三极管S9012构成，用于驱动点阵和数码管；达林顿管驱动电路由复合管驱动器ULN2003构成，用于驱动蜂鸣器、电机和继电器，电机接口可安装型号为28BYJ⁃48的5线4相减速步进电机。
电路连接方框结构示意图串行总线模块包括数字型温湿度传感器DHT11电路、数字型温度传感器DS18B20电路、E2PROM存储器AT24C02电路、实时时钟DS1302电路及短距离无线通信模块nRF24L01接，用于完成1⁃Wire单总线、I2C总线、三线制SPI总线、四线制SPI总线通信。障碍物检测模块包括超声波模块接口、红外发射接收对管电路。超声波模块接口可安装型号为KX⁃U0904的超声波模块；红外发射接收对管的型号为ST178，除用于检测障碍物外，还可进行测距测速实验。模拟量模块包括模拟电压产生电路、数/模转换电路。模拟电压产生电路由精密多圈电位器构成，提供0～5 V的输出电压，给单片机片内自带的A/D转换模块，进行A/D转换实验；数/模转换电路主要由RC无源低通滤波电路构成，将单片机产生的PWM波形进行滤波，产生0～5 V的输出电压。电源模块主要由5 V直流电源接口及CPLD电源电路构成。CPLD电源电路主要由ASM1117⁃3.3 V稳压器构成，将5 V直流电压转换成
3.3 V输出，使得CPLD能独立在两种不同电压下工作，方便使用者以此实验板为母板，控制不同工作电压的外围设备，进行扩展实验。3 实验板布局设计实验板内单片机最小系统、CPLD最小系统及各功能模块都是相互独立的，具有很强的开放性，为使用者提供丰富的自主创新性设计空间，使其可根据需要自行搭建实验电路。如图2所示为实验板结构示意图，从操作的方便性，系统的稳定性等角度出发，设计实验板布局。单片机最小系统置于板子中部，使其到各功能模块的平均距离最短。CPLD最小系统位于板子左下部，使其相对独立，但控制各功能模块时，又可方便地通过杜邦线连接至单片机的I/O口扩展接口。
5 V电源及下载/通信接口位于板子左上部，方便从计算机USB口取电，与计算机通信。输出模块主要位于板子的上部，输入模块位于板子的下部，其余模块位于单片机最小系统的左部及右部，使得它们工作时相互干扰较小。
4 实验板工作方式实验板可以完成如表1所示的30个实验项目，其中前26个用单片机完成，带☆号的3个限用STC12C5A60S2单片机。30个实验项目除带☆号的3个外，其余27个均可用CPLD单独完成。带号的2个实验项目适用于数字电路与数字逻辑课程，可用CPLD设计常见的组合逻辑及时序逻辑电路，如编码器、译码器、触发器、计数器等。带号的5个实验项目适用于通信原理课程，可完成码型变换、信道编译码及一些简单的调制解调实验。表1 实验板可以完成的实验项目
4.1 单片机实验将计算机串口与实验板的单片机编程/调试接口连接，不需专用的烧录器或者仿真器，可进行单片机硬件仿真及在系统编程（In System Programming，ISP）[6]。在计算机端用Keil μVision或Wave编写/编译单片机程序时，可以使用汇编（ASM）语音、C51语言或二者混合编程。为了提高系统运行效率，还可在单片机中运行Small RTOS51或者μC/OS⁃Ⅱ操作系统[3，7]。
4.1.1 下载实验计算机端运行宏晶公司的STC⁃ISP软件、飞利浦公司的FLASH Magic软件、SST公司的Soft ICE软件，可以直接通过串口给STC89C52RC，P89C52RD2，SST89E5xRD等单片机下载程序，简单方便快捷。
4.1.2 仿真实验计算机端运行Keil μVision软件，可以通过串口将单片机固件加载至SST公司的SST89E5xRD系列单片机，进行硬件仿真实验。使用SST89E5xRD单片机进行硬件仿真，可以单步跟踪、全速运行、设置断点、运行到光标处、夭折（暂停），随时可查看寄存器、变量、I/O、内存内容；但不能仿真串口及定时器/计数器2（T2）
[8]。如果要想实现串口及T2的仿真功能，可采用宏晶公司最新发布的高性能“芯片仿真器”—— IAP15W4K58S4单片机[9]，除了仿真功能之外，其本身的硬件性能与资源也非常优越和丰富。使用IAP15W4K58S4单片机时，需要制作一个LQFP44转DIP40的转接板，将IAP15W4K58S4单片机从LQFP44封装转换成通用的DIP40封装，即可将其安装在实验板的单片机紧缩座上[10]。4.1.3 全速运行实验对于不能通过串口直接下载程序的单片机，只要是5 V供电、DIP40封装的通用型号单片机，如AT89S51单片机，通过其他烧录软件下载程序后，安装在本实验板上后，同样可以利用实验板上的功能模块完成实验。
4.2 CPLD实验完成CPLD实验时，借助集成开发软件平台Quartus Ⅱ或Max+Plus Ⅱ，用原理图、波形图、硬件描述语言（VHDL或Verilog）等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到CPLD芯片EPM7128SLC84中，实现设计的数字系统。用USB_Blaster下载器连接计算机的USB口与实验板的JTAG接口电路，计算机运行Quartus Ⅱ软件，可以对CPLD在系统编程（ISP）。用并口下载器连接计算机的并口与实验板的JTAG接口电路，计算机运行Max+Plus Ⅱ软件，同样可以对CPLD在系统编程（ISP）。
5 实践方式与使用效果
在数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术、通信原理等课程的实验、课程设计等实践教学环节，以本实验板为平台，开展“虚实结合，软硬兼施”的项目教学方法[11⁃12]。先教会学生用Multisim，Proteus，Keil μVision，Quartus Ⅱ或Max+Plus Ⅱ等软件进行仿真实验，熟练后再结合实验板做硬件实验[13⁃14]。图3是焊接好的实验板图，整个实验板及下载器件等的购置费用约100元，对愿意参与自制实验板的学生，采取“学校资助，学生自筹，贵重器件共享”的方式。首先由学校出资找印刷电路板厂家批量生产PCB板，接着学生自筹经费到网店购买元器件，然后由老师组织学生焊接实验板，最后进行软硬件联合调测。最后对完成整个过程的学生，学校再补贴一部分低值易耗品购置费。PCB板是统一制作的，质量较好，学生焊接实验板的成功率较高。学生参与焊接、调测软硬件，相对于购置现成的实验板，对硬件原理及软件设计掌握理解更深刻。学生的积极性很高，近几年，每届约有150个学生参与制作实验板，约占总人数的70%。通过自制实验板，学生对数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术、通信原理等课程的掌握程度获得提高，课程设计、毕业设计的水平也同步提升。实验板可作为学生备战各种专业学术竞赛的赛前训练装备，学生利用单片机、CPLD设计制作各种电子系统，参加国家级、省级大学生电子设计竞赛和“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛，2011—2014年共获得国家级和省级奖励38项。
6 结 语
该实验板具有性价比高、功能强大、片内资源丰富、I/O接口数量多的单片机与CPLD，可用于初学者同时学习两种不同类型的处理器，对数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术和通信原理等多门课程的实践教学有促进作用。实践证明，教师将自己的教学理念、工程经验和教学独创性等融入自制的实验板中，可以弥补通用实验设备灵活性和适应性不足的缺陷，培养学生的创造性思维能力及实践动手能力，提高其学习的积极性[15]，同时有效节约学生的学习成本，值得在工程应用类课程中推广。
参考文献
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