侯冠東, 韓鵬, 李鈺周, 劉亞萍

(1. 西北工業(yè)大學 航海學院， 西安 710072; 2. 中國人民解放軍63612部隊， 敦煌 736200)

0 引言

隨著現(xiàn)代計算機應用技術(shù)的與時俱進，在不斷積累和創(chuàng)新中，嵌入式微處理器正朝著超低功耗、小型化、高集成度方向發(fā)展[1-2]。人們也越來越關(guān)注單片機外圍設(shè)備的發(fā)展情況，設(shè)計通用且功能完善的單片機外圍模塊系統(tǒng)成為當今學習、研發(fā)、設(shè)計的一大熱門項目。因此，高等教育中將單片機相關(guān)課程設(shè)置為專業(yè)核心課，但高校“單片機與接口技術(shù)”課程的實驗環(huán)節(jié)需要大量實驗設(shè)備，外購設(shè)備價格相對較高，出現(xiàn)質(zhì)量問題后維護周期較長[3-6]，通過理論學習、實踐操作來鍛煉大學生的單片機設(shè)計、應用能力，自主完成設(shè)計、加工、測量、

裝配、測試全部環(huán)節(jié)[7]，單片機相關(guān)實驗是單片機學習的重點，滿足教學任務(wù)的實驗設(shè)備的開發(fā)便顯得越發(fā)重要[8]。

Launch Pad的MSP-EXP430G2低成本試驗板是一款適用于TI的MSP430G2系列產(chǎn)品的完整開發(fā)解決方案，提供了基本的430芯片調(diào)試與測試功能，但試驗板僅提供2個LED燈與2個獨立按鍵，無法滿足430單片機教學系統(tǒng)擴展與調(diào)試的要求，因此研制Launch Pad配套實驗板，與其配套使用高效學習，驗證相關(guān)知識點的特點，有重要的教學應用價值。也順應了用活實驗室資源的教學改革和激勵教師提升實踐教學能力與水平的發(fā)展需要[9-11]。

1 教學系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計原則

Launch Pad的MSP-EXP430G2其具有基于USB的集成型仿真器可提供為全系列MSP430G2產(chǎn)品開發(fā)所必須的全部軟件、硬件；具有Flash仿真工具，可以直接連接至PC進行編程、調(diào)試；還具有集成的DIP目標插座，可支持20個引腳，從而可以使MSP430器件能夠方便的插入Launch Pad電路板中。主單片機MSP430G2553是一款超低功耗，具有16位RISC架構(gòu)62.5ns指令周期單片機，運算和速度優(yōu)勢也很明顯。MSP-EXP430G2 Launch Pad 的實物圖如圖1所示：

圖1 Launch Pad 實物圖

從圖1可以看出，Launch Pad 的可連接外設(shè)資源的I/O引腳只有20個，其中VCC、GND、RESET(復位)、TEST(測試)功能已經(jīng)占用了4個引腳，Launch Pad 擴展外部功能模塊的時候只有16個I/O引腳可用，相對于其所能實現(xiàn)的功能來說引腳數(shù)量遠遠不足，所以必須合理規(guī)劃每一塊板上的功能模塊，確保合理利用單片機的每一個I/O口。

總體設(shè)計原則：實驗設(shè)備的選用應符合技術(shù)發(fā)展方向，使學生得到最有價值的鍛煉[12]，因此在設(shè)計外部功能擴展板時，I/O引腳的需求數(shù)目就成為首要考慮的條件，由于這個MSP-EXP430G2 Launch Pad外部功能擴展板的受用人群為學生，因此在設(shè)計過程中為了便于理解，便于簡單應用，盡量不采取I/O引腳的復用，電路連接不通過跳線連接。

1.2 模塊設(shè)計構(gòu)思

為了確保每一塊功能擴展板對MSP-EXP430G2 Launch Pad引腳的合理應用，本設(shè)計以MSP430單片機為控制核心[13-14]，要將符合引腳數(shù)目的模塊先行進行歸類匹配，入門級、基礎(chǔ)級和提高級功能擴展板設(shè)計分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 入門級功能擴展板構(gòu)思圖

圖3 基礎(chǔ)級功能擴展板構(gòu)思圖

圖4 提高級功能擴展板構(gòu)思圖

2 入門級功能擴展板

2.1 設(shè)計原則

第一塊入門級功能擴展板將一些基礎(chǔ)應用包括其中，如8位流水燈、獨立按鍵、8段數(shù)碼管、并行轉(zhuǎn)串行模塊，順應新手學習單片機的一般過程。8位流水燈作為單片機最簡單的外設(shè)顯示模塊，方便理解各引腳狀態(tài)、便于初步熟悉單片機功能的特點；獨立按鍵使學生清楚單片機中斷機制；8位數(shù)碼管模塊是前兩個功能的進一步完善，為節(jié)約引腳利用串轉(zhuǎn)并芯片實現(xiàn)數(shù)碼管顯示。

2.2 入門級功能擴展板設(shè)計

如表1所示。

表1 入門板引腳分配

入門級功能擴展板的整體原理圖如圖5所示。

3 基礎(chǔ)級功能擴展板

3.1 設(shè)計原則

從整體看來，入門級功能擴展板的各個模塊組合度不高，而且各個模塊均比較簡單，不能完成更復雜的組合操作，難以滿足有基礎(chǔ)的學生繼續(xù)學習，設(shè)計第二塊功能擴展板時在實驗復雜度方面有所提高。

第二塊板子包含步進電動機模塊、直流電機驅(qū)動[15-16]模塊、溫度傳感器模塊、LCD1602液晶顯示模塊這4個模塊，既可以單獨學習又可以將其組合實現(xiàn)實際工程應用中的測控系統(tǒng)。例如LCD1602可以與其它3個模塊組合使用，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)動，顯示屏對應電動機的正/反轉(zhuǎn)、速度等。

3.2 基礎(chǔ)級功能擴展板設(shè)計

電動機驅(qū)動模塊采用的是達林頓(ULN2003),也被稱作復合管，是兩個三極管通過恰當?shù)姆绞竭B接起來形成的芯片，等效為一個新的三極管，而是兩個三極管放大倍數(shù)的積，因此可以用于需要較大電流驅(qū)動器件的驅(qū)動片。如表2所示。

DS18B20是1-wire總線接口數(shù)字溫度傳感器，只需要一個I/O引腳，對于設(shè)計引腳限制的功能擴展板來說，十分適合。

圖5 入門級功能擴展板的整體原理圖

數(shù)字字符液晶LCD1602是一種點陣型液晶模塊，專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等，由若干個點陣字符位組成,不能很好地顯示圖形，通常應用于數(shù)字尋呼機、數(shù)字儀表等設(shè)備,驅(qū)動電路較為簡單。

步進電機直流電機模塊所需驅(qū)動電壓為5 V，MSP430單片機的工作電壓為3.3 V，故擴展板采用MINI_USB電源接口由電腦提供5 V電壓，TPS7730轉(zhuǎn)換模塊提供單片機3.3 V的工作電壓。

基礎(chǔ)級功能擴展板的各模塊資源分配表如表2所示。

表2 基礎(chǔ)級擴展板引腳分配

基礎(chǔ)級功能擴展板的整體原理圖如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)級功能擴展板的整體原理圖

4 提高級功能擴展板

4.1 設(shè)計原則

在總體設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，鑒于前兩塊功能擴展板已經(jīng)涵蓋了單片機的多種外設(shè)模塊，因此第三塊功能擴展板除了應用常見控制模塊矩陣鍵盤與時鐘模塊之外，還增加了I2C總線、OLED顯示模塊和無線模塊，借此進一步鍛煉學生應用單片機外設(shè)資源的能力；本擴展板既具有控制模塊，又具有顯示模塊，可以利用OLED顯示其余功能模塊的工作狀況，完成功能之間的相互組合工作?？勺鳛闊o線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對設(shè)備進行實時監(jiān)控。

4.2 提高級功能擴展板設(shè)計

時鐘模塊采用SPI總線接口芯片DS1302,由DALLAS公司開發(fā)生產(chǎn)，使用串行接口的一款時鐘日歷芯片，有較高的通信速率。

對于需要比較復雜輸入情況，特增加矩陣鍵盤功能模塊。

NRF24L01 是一款無線信道通信芯片，調(diào)制方式為FSK，功能是實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信功能，通信速度可以達到2M。將OLED和無線模塊直接連接到片內(nèi)硬件I2C和SPI，當配置成硬件I2C和SPI時，能直接利用片內(nèi)硬件I2C和SPI對單片機進行高效的開發(fā)。當配置成普通I/O模式時，可在軟件模擬通信協(xié)議的基礎(chǔ)上對協(xié)議進行深入學習。為此引導學生通過實踐理解理論。提高學生學習效率，增加學生學習興趣，有效推展教學進程，達到良好的教學效果。提高級功能擴展板的整體原理圖如圖7所示。

圖7 提高級功能擴展板的整體原理圖

提高級功能擴展板的各模塊資源分配表如表3所示。

5 實現(xiàn)與驗證

依據(jù)前述入門級、基礎(chǔ)級、提高級擴展板的設(shè)計方案，進行了PCB繪制與制作，通過硬件焊接、調(diào)試，軟件設(shè)計、測試，完成了三個擴展板的軟、硬件系統(tǒng)，驗證了設(shè)計功能。實物如圖8所示，從左至右依次為入門級、基礎(chǔ)級、提高級。

圖8 三塊實驗板實物圖

表3 提高級擴展板引腳分配

6 結(jié)論

本文針對單片機教學的實際需求，遵從由簡及繁、逐次遞進的學習方式，設(shè)計了與教學實驗訓練規(guī)律相匹配的入門級、基礎(chǔ)級與提高級三塊功能擴展板實驗教學平臺。該實驗教學平臺基于MSP430G2553 Launchpad，在分析常用各類實驗箱模塊功能的基礎(chǔ)上制做了三塊由淺入深、配合單片機主要的教學實驗的教學實驗擴展板，在維持launchpad便攜性優(yōu)點的同時，擴充了單片機教學系統(tǒng)的應用資源，又兼具成本低、可維護性強等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)教學實驗設(shè)備箱成本高、形式單一化的缺點。該實驗教學平臺突出漸進性、實用性、便捷性，給初學者提供了能夠充分理解片上資源的、深入學習MSP430單片機開發(fā)技術(shù)的教學實驗系統(tǒng)，又為學生課后拓展提供了實驗平臺，具有推廣和應用的價值。