荊麗梅

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長沙，410208）

“單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用”是高職院校電氣自動化技術(shù)、電子信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等專業(yè)的必修課。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具備初步的系統(tǒng)開發(fā)能力和其他類型單片機(jī)的進(jìn)階學(xué)習(xí)能力。

目前市場上單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置功能單一，延續(xù)性不夠，一種單片機(jī)對應(yīng)一塊開發(fā)板，在學(xué)習(xí)其他種類單片機(jī)時(shí)，需要重新購置開發(fā)板，而這些開發(fā)板，除了核心部件不一樣，外圍電路幾乎是一致的，造成的資源的浪費(fèi)和學(xué)習(xí)成本的提高。

實(shí)訓(xùn)教學(xué)在單片機(jī)課程教學(xué)中占據(jù)重要地位。實(shí)訓(xùn)裝置的升級改革，能夠更好地服務(wù)于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以切實(shí)提高單片機(jī)的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、進(jìn)階學(xué)習(xí)。因此，研制新的實(shí)訓(xùn)裝置是很有意義的。筆者通過對多種單片機(jī)資源進(jìn)行分析比較，將實(shí)訓(xùn)裝置采用底板和核心板的雙層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，底板是一塊通用的單片機(jī)外圍電路板。核心板是針對STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 三款單片機(jī)分別設(shè)計(jì)的核心板，底板與核心板的接口電路標(biāo)準(zhǔn)化。在雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)下，不同種類的單片機(jī)對應(yīng)不同的核心板，多塊核心板共用同一塊底板，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用和延續(xù)性[1-5]。

1 實(shí)訓(xùn)裝置的組成

本實(shí)訓(xùn)裝置由三部分組成：包含基本外圍電路的底板和包含單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心板，連接底板和核心板的接口電路。

基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置的總體設(shè)計(jì)思想是采用底板和核心板同時(shí)工作的雙層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，首先設(shè)計(jì)底板，底板上有通用的單片機(jī)外圍電路模塊。然后設(shè)計(jì)核心板，針對STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 等幾款單片機(jī)設(shè)計(jì)不同的核心板，再將底板與核心板的接口標(biāo)準(zhǔn)化。在具體實(shí)踐過程中，選擇所需要的核心板和統(tǒng)一的底板完成實(shí)踐項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)裝置的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.1 底板結(jié)構(gòu)

實(shí)訓(xùn)裝置中底板是為多種的單片機(jī)服務(wù)的，所以要有單片機(jī)的外圍基礎(chǔ)電路和一些擴(kuò)展性試驗(yàn)電路，根據(jù)不同單片機(jī)的特性，還要設(shè)計(jì)特定的外圍硬件。

在底板設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮做到一次性測試底板上的硬件是否都能工作，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，IO 口不能復(fù)用。當(dāng)IO 口資源不夠時(shí)，需要IO 口擴(kuò)展。

底板上常用的電路模塊有發(fā)光二極管電路，數(shù)碼管顯示電路，16*16 點(diǎn)陣顯示，液晶顯示電路，蜂鳴器驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動電路，NE555 信號發(fā)生器，按鍵電路，串口通信，SPI，IIC，無線接口，A/D、D/A 轉(zhuǎn)換電路，時(shí)鐘電路，溫度傳感電路等常用模塊電路?；诙嗪诵陌寤Q的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置底板設(shè)計(jì)如圖2 所示。底板與核心板的接口電路如圖4 所示。

圖2 系統(tǒng)底板組成框圖

圖3 底板與核心板的接口電路

圖4 STM32 單片機(jī)核心板與底板接口電路

1.2 核心板結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同種類的單片機(jī)，分析其具有的不同資源，設(shè)計(jì)不同的核心板。在每塊核心板上設(shè)計(jì)該種類單片機(jī)的最小系統(tǒng)，將接口電路標(biāo)準(zhǔn)化，核心板與底板的接口匹配。STM32 單片機(jī)核心板與底板接口電路如圖3 所示。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

針對單片機(jī)日常教學(xué)、湖南省技能抽查、單片機(jī)愛好者的需求，以及滿足嵌入式技術(shù)應(yīng)用開發(fā)、電子設(shè)計(jì)與制作、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室需求，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了小交通燈控制軟件開發(fā)，數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)，LED 點(diǎn)陣顯示，中斷響應(yīng)程序設(shè)計(jì)，獨(dú)立式鍵盤接口程序設(shè)計(jì)，矩陣式鍵盤接口程序設(shè)計(jì)，串口應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，IIC 總線實(shí)驗(yàn)，DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，基于DS1302 的精密電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并給出相關(guān)的設(shè)計(jì)任務(wù)和程序。

3 硬件制作及軟硬件聯(lián)調(diào)

基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置在完成構(gòu)思之后，進(jìn)行布局設(shè)計(jì)并繪圖，制作PCB 板。完成元器件的安裝與調(diào)試。

硬件制作完成之后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的一般過程如圖6 所示。實(shí)訓(xùn)裝置的部分實(shí)物如圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 系統(tǒng)核心板設(shè)計(jì)框圖

經(jīng)過設(shè)計(jì)-制作-調(diào)試-修改設(shè)計(jì)-制作-調(diào)試這樣一個(gè)反復(fù)的過程，完成了基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置研制。學(xué)習(xí)者在掌握單片機(jī)的開發(fā)過程和工作原理之后，還可以通過DXP或者其他繪圖軟件設(shè)計(jì)制作其他種類核心板。

利用相關(guān)的檢測設(shè)備對如下核心板和底板進(jìn)行硬件測試[6]。如下是需要進(jìn)行硬件功能測試的基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)電路板，包括底板和兩種單片機(jī)的核心板。底板和核心板的實(shí)物如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 底板

圖8 STC 核心板

圖9 STM32 單片機(jī)核心板

本文設(shè)計(jì)的基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置具有以下的特點(diǎn)：

（1）實(shí)用性。對單片機(jī)教學(xué)起到良好的支撐作用，為單片機(jī)學(xué)習(xí)者提供一個(gè)豐富的進(jìn)階學(xué)習(xí)平臺。

（2）兼容性。適合多種核心板與底板之間無障礙對接。

（3）拓展性。在學(xué)習(xí)完一種單片機(jī)之后，更換核心板就能進(jìn)行其他種類單片機(jī)的開發(fā)，在掌握幾種典型單片機(jī)之后，還可以根據(jù)已有的底板電路及其底板接口電路自行設(shè)計(jì)相應(yīng)的核心板，完成新的核心板軟硬件的設(shè)計(jì)，一舉多得[7]。

4 結(jié)語

基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置有助于解決創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題[8]:

（1）有助于單片機(jī)教學(xué)實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合、快速結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力同步增長。

（2）基于多核心板互換的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置功能豐富，核心板更替簡單，有助于學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、電子競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，掌握單片機(jī)開發(fā)的步驟和方法，并可以自己嘗試設(shè)計(jì)新的核心板和底板。

（3）實(shí)現(xiàn)隨時(shí)能做。大學(xué)生正處于創(chuàng)新意識、專研意識最強(qiáng)的時(shí)期，有這樣一套實(shí)訓(xùn)裝置，有任何關(guān)于單片機(jī)方面新的想法，可以隨時(shí)實(shí)驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)室管理的約束。

（4）有利于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識系統(tǒng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用的能力。

學(xué)習(xí)單片機(jī)，必須掌握電路分析、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、傳感器等前序課程，學(xué)生使用實(shí)訓(xùn)裝置，爾后還可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)并制作的單片機(jī)開發(fā)板。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用與相關(guān)知識的有機(jī)融合。實(shí)現(xiàn)開發(fā)板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

經(jīng)過實(shí)踐證明，這種實(shí)驗(yàn)裝置模式，促進(jìn)了學(xué)生的實(shí)踐興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力與研發(fā)意識，對提高學(xué)生工程實(shí)踐能力起到了良好的推動作用。