多内核共享单平台资源实验装置设计

2018-07-21欧阳明星区志江蔡培楠

韶关学院学报 2018年6期

欧阳明星，区志江，蔡培楠

（广东松山职业技术学院电气工程系，广东韶关512126）

单片机体积小、功能强、使用简单，被广泛应用于智能家用电器、工业控制、智能仪表等领域［1］.作为大中专电子、通信、自动化等专业核心课程，单片机、ARM嵌入式具有举足轻重的地位［2］.在单片机、嵌入式课程的教学中，为了提高教学效果，可以采用“虚实结合”的教学手段，先使用虚拟仿真软件完成原理设计与编程，以提高效率，再将程序下载到实物板件运行调试.随着技术的发展，市场上出现了一些高性能单片机，逐渐取代了传统51单片机，而32位ARM嵌入式处理器其性价比日益凸显，越来越受到欢迎［3-5］.学校实验室硬件实验箱的设计是固定和不可升级的，当开设一门新型单片机或嵌入式处理器课程时，现有实验箱无法满足新课教学需求.市场上实验箱硬件配置及设计理念大多大同小异，重新购置设备会导致资源浪费.笔者提出一种单平台资源共享设计思路，通过快速更换不同内核处理器实现现有实验设备资源的再利用，使用者可以进行二次开发，设计新的CPU内核板实现设备升级，实际使用效果较好.

1 系统总体设计

1.1 设计思路

（1）采用单一平台设计，通过更换不同内核处理器实现单平台资源共享.将人机交互接口、信号转换、实时时钟、通信接口等资源和模块设计在一个单板内，通过自定义的开放式统一接口与CPU内核板连接，这样更换不同类型CPU内核板都可以共享该平台的所有硬件资源.由于定义了开放式统一接口，用户可自行设计CPU内核板使用，实现系统升级.

（2）3.3~5 V宽电压范围，适应不同电源内核的CPU.考虑不同内核CPU及面向的应用不同，工作电压不同，要求在3.3~5 V宽电压范围都能正常工作，无需手动电源转换开关.

（3）为便于教学中实现“虚实结合”，平台设计尽量简单，使用时接线少.使用者在Proteus虚拟仿真软件进行硬件连线设计并仿真，程序无需任何修改导入平台能直接运行.

（4）平台资源设计以实用为准，满足从初学者到水平提升的梯度层级需求.

1.2 框图组成

根据设计思路系统组成框图见图1，主要包含CPU内核板、资源平台主板两部分［6］.CPU内核板为独立板件，一种CPU内核做成一块独立的板件，资源平台主板作为母板，设计有数码管、流水灯、LCD显示器、A/D及D/A信号转换电路、RTC实时时钟、键盘、开放I/O接口等硬件资源.CPU开放所有I/O供用户使用，CPU内核板通过活动插座插入平台主板构成一个整体.

图1 系统框图

图2 CPU内核板设计

2 CPU内核板设计

每种CPU内核单独设计一块PCB板，自定义统一的电气接口用活动插座插入平台主板.CPU内核板设计时要解决I/O端口资源分配、电源、复位等问题.CPU内核板设计的重要的原则是尽量向用户开放CPU所有I/O端口，同时又保证使用时接线少［7］.将LCD液晶显示、数码管显示、点阵显示、D/A转换等并行通信接线较多的部件在主板中预先接好线，通过短路帽与CPU的I/O端口相连接.当需要使用这些资源时插上短路帽即可，去掉短路帽后则成为全开放I/O端口，可以自由使用.

CPU内核板与主板之间定义了标准的电气接口规范，该接口规范中包含了I/O端口、电源引脚、复位引脚、特殊功能引脚、程序下载接口等（见图2）.电源引脚分3.3V、5V两种，以适应不同CPU型号的电源要求.复位引脚同时接入高电平复位、低电平复位信号，特殊功能引脚依据芯片型号不同定义不同，其功能有PWM（脉宽）、INTx（外部中断）、Tx（计数脉冲）等.电源电路、复位电路设计在主板上，3.3V、5V电源电压同时接入CPU内核板，再从CPU内核板将电源馈入主板供给主板使用，以实现CPU板、主板3.3V、5V电源自行匹配，无需手工操作.复位电路设计手动复位功能，通过74AT04单反相器产生RESET、两路不同极性复位电平，供CPU和主板硬件电路使用.结合教学实际，分别设计STC89C51、ATMEGA16、STM32F103、LPC2148等不同类型CPU内核板.

3 平台主板设计

资源共享平台主板设计需要考虑两个关键问题：（1）3.3 V~5 V供电自适应；（2）满足教学中“虚实结合”要求.考虑不同内核CPU的工作电压不同，主板平台上设计的所有硬件资源均可以自适应工作在3.3 V~5 V，无需手动切换或外接电平转换芯片.平台主板设计的硬件电路大部分能在Proteus仿真软件中仿真［8］.

3.1 人机交互电路设计

人机交互电路是实现人机通信的基础，包含输出显示、输入设备.输出显示设计有8位数码管显示、1602字符型液晶显示、128×64液晶显示以及8×8点阵显示.8位数码管采用动态数码显示法，128×64选择与KS0108/SED1565兼容的设计方案，以便在Proteus中仿真.由于这几种显示装置并非同时使用，将数码管、点阵的数据线通过74HC244总线驱动器隔离后，所有显示器的数据线并联在一起共享同一组CPU的I/O端口总线，通过切换开关切换控制使能显示装置，见图3.

设计4×4矩阵键盘、4独立开关按键两种基本的输入装置.4×4矩阵键盘行、列线已预接至CPU内核板的一组I/O端口，套上该组I/O短路帽即可使用，无需接线.

3.2 信号转换电路设计

考虑一些早期单片机芯片没有集成A/D转换器，因此主板上设计了由TLC0831组成的串行A/D采样电路.D/A转换电路则设计串、并两种接口.并行接口D/A转换使用DAC0832实现，以便满足MCS-51单片机教学需求，使用接线最简的直通法.串行接口D/A转换器则采用了DAC7412 12 bit高精度转换芯片，以满足更高使用需求.信号转换电路如见图4.

图3 显示设计

图5 USB通信电路

图4 信号转换电路

3.3 通信电路设计

USB接口使用方便，应用广泛，一些单片机和32位嵌入式处理器内部集成了USB协议接口，但大部分单片机则没有集成该功能，可通过USB-UART桥接芯片实现单片机的USB通信及程序下载功能.CH340是一种常见的USB-UART桥接芯片，兼容USB2.0协议集，通过单片机的异步串行通信口即可实现与计算机的USB接口通信，设计见图5［9］.平台还设计有RS-232、MAX485、CAN-BUS等通信接口电路.

3.4 RTC实时时钟设计

设计两种典型的实时时钟电路见图6，其中DS1302为SPI三线串行通信接口，内置RTC时钟万年历及31个字节的RAM，并带备用电池涓流充电功能，PCF8563为I2C串口通讯接口，内置时钟万年历功能，两个芯片共用一个备用纽扣电池保持时钟信息，并由DS1302负责给锂电池充电.3.5简易信号源电路设计

图6 RTC实时时钟

图7 信号发生电路

主板设计简易信号源电路，可以提供PWM脉宽可调的矩形波信号、n分频的方波信号（见图7）.TLC555时基电路组成脉宽可调信号源电路，输出脉宽可调的矩形波，调节W1电位器可以改变矩形波脉冲宽度.图7中4060组成÷N分频脉冲源电路，4060包含一个振荡器和一个214分频器，由振荡器产生一个32 k的时钟频率经过分频器后输出24~214分频脉冲，此处只取24、26、28、214分频信号输出.

除此之外，主板还设计有继电器驱动、红外收发、无线通信、蓝牙接口、温湿度测量等接口和电路.

4 应用及效果

传统单片机等嵌入式课程教学中大多将理论与实践分开进行，先导入大量原理，再动手实验，学生理解困难，学习枯燥乏味，自然叫苦不迭.而实验条件的限制，实验教学多为演示性实验和验证性实验，缺乏创新性实验，学生做实验室只是机械连线，没有形成系统化的设计思维，创造性和学习的兴趣被严重挫伤［10-11］.

现代职业技术教学理论倡导基于行动导向的教学法，能激发学生学习兴趣，教学模式遵循“做中学、学中做”，探索式的学习方法极大提高了学生自主学习热情，有利于创新性人才培养.单片机等嵌入式设计中，包含硬件原理和软件编程两个部分.在创新性人才培养中，开放性实验也是重要的举措之一.现代教学日益注重实开放性实验.开放性实验教学是一种新兴的实验教学方式，实践已经证明对增强大学生的动手能力、激发学生的创新意识有着传统教学方式不可比拟的优势［12-13］.

Proteus是一款从原理图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真EDA开发工具，能一键切换到PCB设计，实现了从概念到产品的完整设计，是一款将电路仿真、虚拟模型仿真和PCB设计三合一的设计平台［14-15］.与其他仿真软件不同的是它除了能仿真基本的数字模拟电路外，还能模拟单片机、ARM嵌入式程序运行，以及仿真液晶显示、SD卡读取、计算机通信等，为开放性实验提供了强有力支撑.Proteus软件最新的版本是8.7，支持IOT（Internet of Things）物联网Arduino云控制平台，集成TCP/IP协议集仿真，实现物联网应用系统的快速开发.更为重要的是还支持串口（COMPIM）、以太网（EPIM）等物理模型，可实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向串行通信.

依本文设计思路制作的实物及应用见图8，（a）为实物全貌，（b）为实物与Proteus仿真的单片机进行虚——实连接串口通信.除可以完成一般性的功能验证性实验外，还可以完成如可变流水灯、数控电源、密码锁、时钟万年历等综合性、开放性课题项目.这些实验项目均能可以在Proteus中仿真运行，学生利用仿真软件在宿舍画图仿真运行，再去实验室实验箱验证，突破了时间、空间、内容的限制.