面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的制作方法

专利名称：面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及单片机实验装置，尤其涉及一种面向嵌入式系统的单片机 集成实验平台。
背景技术：
近20年来，PC机CPU的产量仅为嵌入式微处理器(MCU)的0.9%，例 如Merredes —Benz C型轿车就安装了 153个微处理，"以嵌入几乎所有设备的 超低价高性能微处理器为特征的智能设备新浪潮，将推动今后10年的计算技 术创新"，目前单片机的主要应用领域就是嵌入式系统。
单片机是高等院校计算机、仪器仪表、自动化等专业的一门专业基础课， 现有商品化单片机实验装置提供的功能、线路板和电路都是固定的，使得学生 只能进行有限的验证性实验，如程序设计、IO 口使用、中断和定时器使用、 显示与键盘等。这类实验装置虽然一定程度上可以让学员熟悉和掌握单片机的 基本知识，但存在不利于培养学员综合运用知识的缺憾。国内高校意识到商品 化单片机实验装置的不足，提出了各种设计和专利，相应的实验装置实现方法 各异，但其思路基本一致——开放单片机资源，提供实验者自选设计实验内容 的可能性。如开放式单片机实验仪(ZL02263587.4)提出采用台阶插座和可插 拔导线，开放单片机引脚；仿真型单片机实验仪(ZL200420033892.7)提出集 成单片机实验仪、仿真器、编程器，扩展单片机实验内容；模块化单片机实验 装置(ZL200420057516.1)提出设扩展槽，扩展单片机装置的功能； 一种新型 单片机实验装置(ZL200420068278.4)则提出附加以太网和CAN节点，使单 片机实验装置带有通讯功能。上述有益的探索，丰富了单片机实验装置的功能， 使学员在一定程度上能够主动参与实验过程，综合运用知识的能力亦得到了提 高；但是探索成果仍存在相当的局限性，从培养学员创新能力的角度，从企业 对求职者或雇员的技能要求角度，有必要在现有的研究成果基础上作进一步研 究和创新。
通用CPU的用途单一，大多用于PC机；而单片机构成的嵌入式系统则具 有超出人们想像的多样性，已嵌入几乎所有的设备。嵌入式系统开发流程大致 可分为四个阶段嵌入式系统的方案设计、方案确认、构建原型机、实现嵌入 式系统；不难发现，现有研究成果和专利对嵌入式系统开发流程的支持是不充 分的。
所谓嵌入式系统， 一般而言是一种专用系统，其功能和技术指标完全取决 于所嵌入设备的要求。鉴于对嵌入式系统的开发时间和可靠性要求越来越高， 因此现行的开发模式有别于传统模式——即采用已有成果(如各种功能模块)， 构建满足特定要求的嵌入式系统已成为不可逆转的趋势，其思想与软件业的软
件复用技术，芯片业SoC设计中的IP重组技术相似。显然，现有研究成果和 专利对嵌入式系统开发模式的变化缺少前瞻性，在培养学员构建嵌入式系统架 构能力方面存在不足，这在大学毕业生就业企业调査中一再得到证实。企业不 缺掌握单片机基本知识的雇员，企业缺乏的是具有嵌入式系统架构设计能力的人材。
嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机 时代。由于历史的原因，单片机时代的嵌入式系统以器件形态出现在传统电子 技术领域，以电子技术应用为主体实现传统电子系统的智能化，而计算机专业 人员事实上并未真正进入单片机应用领域。电子技术应用工程师以自己习惯性
的电子技术应用模式从事单片机应用开发，这种应用模式最重要的特点是具
有软、硬件的底层型、随意性；具有对象系统专业技术的密切相关性；但缺乏
计算机工程设计理念。现有研究成果和专利很大程度上漠视了计算机工程设计
方法，随着嵌入式系统广泛的深入应用，计算机工程设计理念缺位的负面影响
日益凸显。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有单片机实验装置的三大缺陷，提供一种面向 嵌入式系统的单片机集成实验平台。
面向嵌入式系统的单片机集成实验平台包括基本系统单元、系统扩展单 元、系统接口单元、人机交互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出 单元、模拟输出单元、伟福SP51仿真器，基本系统单元分别与系统扩展单元、 系统接口单元、人机交互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出单元、 模拟输出单元、伟福SP51仿真器相连接。
所述的基本系统单元包括单片机、数据存储器、程序存储器、复位模块、 晶振模块、程序下载接口，单片机分别与数据存储器、程序存储器、复位模块、 晶振模块、程序下载接口相连接。单片机为80C31、 W78E52B或AT89S52。
所述的复位模块的内部模块连接关系为第一 74HC14—斯密特输入逻辑 反相器与第二 74HC14—斯密特输入逻辑反相器串行相连接，第一 74HC14— 斯密特输入逻辑反相器输入端与按键一端、三极管集电极、第一电阻一端、二.
极管正极和电容正极相连接，三极管发射极接地，三极管基极与第二电阻相连
接，第一电阻另一端与二极管负极接电源vcc，按键另一端与电容负极均接地。
所述的晶振模块的内部模块连接关系为第一跳线器引脚1与第一
74HC04—逻辑反相器输入端相连接，第一跳线器引脚2与晶振一端、第二电 容相连接，第二跳线器引脚1与第一 74HC04—逻辑反相器输出端、第二 74HC04—逻辑反相器输入端相连接，第二跳线器引脚2与晶振另一端、第三 电容相连接，第二电容和第三电容分别接地。
所述的伟福SP51仿真器采用的仿真头型号为POD-S8X5X,仿真器与基本 系统单元通过USB相连接。
面向嵌入式系统的单片机集成实验平台使学员能够熟悉和掌握单片机基 本知识，但更关注嵌入式系统架构设计能力的培养。单片机集成实验平台面向 嵌入式系统、采用计算机工程方法设计，由基本系统单元、系统扩展单元、人 机交互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出单元、模拟输出单元、 系统接口单元、伟福SP51仿真器组成。各单元配置种类繁多，常见的功能模 块通过简单的连接就能够快速完成满足特定需求的嵌入式系统。单片机集成实 验平台随机提供15项嵌入式系统设计实验，学员亦可通过将自行设计的功能 模块纳入系统，构建个性化嵌入式系统，达到掌握嵌入式系统架构设计技能的 目的。


图1是面向嵌入式系统的单片机集成实验平台方框图2是本实用新型的基本系统单元模块方框图3是本实用新型的基本系统单元的复位模块电路图4是本实用新型的基本系统单元的晶振模块电路图5是伟福仿真器外形示意图6是PODS8X5X仿真头外形示意图7是本实用新型的USB原理方框图8是本实用新型的实施例示意图。
具体实施方式
单片机集成实验平台提供面向嵌入式系统的集成开发环境PC平台上运 行伟福VW集成调试环境软件，进行嵌入式系统的方案设计；仿真软件结合伟 福SP51仿真器(仿真头PODS8X5X)以及单片机集成实验平台，实现嵌入式
系统设计方案的确认；在单片机集成实验平台上通过简单的模块连接，采用计 算机工程设计方法快速构建满足特定需求的嵌入式系统原型机，PC下载机器 码至伟福SP51仿真器，或用下载线直接下载到支持ISP功能的单片机(如 AT89LS52)中，实施原型机测试；烧写EPROM或含EPROM的单片机(如 W78E52B)，或用下载线下载支持ISP功能的单片机(如AT89S52)，完成脱机 测试和嵌入式系统的开发。
如图1所示，面向嵌入式系统的单片机集成实验平台包括基本系统单元1、 系统扩展单元2、系统接口单元3、人机交互单元4、数字输入单元5、模拟输 入单元6、数字输出单元7、模拟输出单元8、伟福SP51仿真器9，基本系统 单元1分别与系统扩展单元2、系统接口单元3、人机交互单元4、数字输入单 元5、模拟输入单元6、数字输出单元7、模拟输出单元8、伟福SP51仿真器 9相连接。伟福SP51仿真器9采用的仿真头型号为POD-S8X5X，仿真器与基 本系统单元1通过USB相连接。
如图2所示，基本系统单元1包括单片机11、数据存储器12、程序存储 器13、复位模块14、晶振模块15、程序下载接口 16，单片机11分别与数据 存储器12、程序存储器13、复位模块14、晶振模块15、程序下载接口 16相 连接。单片机11为80C31、 W78E52B或AT89S52。本实验平台的单片机有三 种选用方式
1) 利用伟福51仿真器作为单片机进行仿真和实验，或采用80C31芯片作 为单片机，将正确的实验程序烧写入片外程序存储器(27256)，系统上电后程 序开始执行，即可进行实验。
2) 采用W78E52B芯片作为单片机，将正确的实验程序通过编程器烧写入 片内程序存储区，插到实验平台的单片机插座上，系统上电后程序开始执行， 即可进行实验。
3) 采用AT89S52芯片作为单片机，利用程序专用下载线将正确的实验程序 从PC机中下载并写入单片机片内的程序存储区中，程序即可开始执行，进行 实验。
使用者可根据自身条件，选用不同的单片机，丰富了单片机集成实验平台 的可操作性。
如图3所示，复位模块14的内部模块连接关系为第一 74HC14—斯密特 输入逻辑反相器U1与第二 74HC14—斯密特输入逻辑反相器U2串行连结，第 二 74HC14—斯密特输入逻辑反相器U2输入端与按键Kl 一端、场效应管T集电极、第一电阻R1 —端、二极管D1正极和电容C1正极相连接，场效应管 Tl发射极接地，场效应管Tl集电极与第二电阻R2相连，第一电阻Rl另一 端与二极管D1负极接电源VCC，按键K1另一端与电容C1负极均接地。模 块说明该复位电路为按键电平复位。按键按下，通过反相器将低电平变为高 电平信号输入单片机的复位端RST+。输入端RSTp是用于ISP程序下载接口 的复位引脚。图中电阻、电容参数的选择须保证复位信号高电平RST+持续时 间大于10mS，以保证可靠复位。
如图4所示，晶振模块15的内部模块连接关系为第一跳线器J1引脚1 与第一 74HC04—逻辑反相器U3输入端连接，第一跳线器Jl引脚2与晶振XI 一端、第二电容C2正极连接，第二跳线器J2引脚1与第一74HC04—逻辑反 相器U3输出端、第二 74HC04—逻辑反相器U4输入端相连，第二跳线器J2 引脚2与晶振X1另一端、第三电容C3正极相连，第二电容C2负极和第三电 容C3负极分别接地。模块说明51系列芯片内部有高增益反相放大器，可以 构成振荡器。本模块提供了两个跳线器Jl和J2，可以按照需要进行切换以适 应不同的需要。当跳线器2、 3脚相连时(图中跳线器处的星号表示引脚l)， 在单片机的XTAL1和XTAL2两端跨接12M晶振和两个电容，和51芯片的内 部振荡电路一起，构成稳定的自激振荡器。电容器C3和Q常取30pF左右， 对振荡频率有微调作用。当跳线器1、 2脚相连时，由U3和电容器C3, Q来组 成振荡电路。U4引出一个12M外接接口，可以经过分频等处理提供用于其他 设备所需的频率信号。
如图5所示，伟福仿真器外形示意说明伟福仿真器左边最上是电源开关， 开关下面是两个插座，依次为电源插座和USB插座；在伟福仿真器正面左上 角是三个指示灯，从左到右依次为电源指示灯、USB指示灯和运行指示灯；在 指示灯下面，即正面左下角是型号标牌；在伟福仿真器下面是逻辑测试探头插 座;在伟福仿真器右面是仿真扁平电缆出口 。仿真器使用USB 口与PC机连接; 电源为直流5V/1A (最小)，电源插孔的极性为内"负"外"正"。
如图6所示，PODS8X5X仿真头外形示意说明PODS8X5X仿真头左上 角是有三个针脚的电源选择跳线开关，连接中间和左边的针脚即选择使用5V 电源，连接中间和右边的针脚即选择使用用户板电源；PODS8X5X仿真头左边 是仿真芯片替换处；PODS8X5X仿真头右边是仿真插头接口 。
POD-S8X5X时采用FPGA端口重构技术的仿真头，将所要仿真的MCS51 兼容芯片换到仿真板上，就可以仿真这个芯片的所有内部资源和附加功能。由于采用"自己仿真自己"的方式，所以，这个仿真头可以仿真几乎市面上所有的MCS51兼容单片机芯片。具体支持的产品见伟福仿真器的使用说明书。由 于此仿真头时采用片外的端口重造技术，所以在仿真某些与P0,P2 口相关的指 令时，可能会在仿真执行时间上有些失真，定时器、中断也会有短暂延时，但 是， 一般不会影响用户程序的执行。如果用户在仿真时有更加严格的要求，可 以采用HOOKS技术的POD-H8X5X仿真头或者POD-A8X5X仿真头。本仿真 头配合伟福SP51仿真器可以仿真MCS51系列机器兼容单片机，配有40脚DIP 封装的转接座，还可选配44脚PLCC封装的转接座或者2051转接座(20脚 DIP封装)。
如图7所示，USB模块方框图示意说明。
本USB模块是基于EZ—USB系列USB总线控制器，它包含标准的MCS51 外设模块和USB模块。USB模块集成了 USB的收发器、串行总线接口机制、 功能接口单元和收/发缓冲区。USB模块的I2C总线上，接有两块8位I/0扩 展芯片(PCF8574T-U5，U7)和一块用于EZ—USB引导、标识USB设备的 EEPROM (U8)。该片电可擦写只读存储器(EEPROM)采用8引脚DIP封 装，可拔插；按键和7段LED通过U5和U7接到I2C总线上。这样， 一方面 为用户调试固件程序提供了方便，另外一方面，空出A,B，C这三个I/0口以供 开发使用。U7提供了到一位7段LED的8位输出。 开发板包含以下几个部分
EZ—USB集成电路，采用AN2131QC芯片，包含8051内核；
32K随机存储器(扩展RAM);
电可擦写只读存储器(EEPROM):用做存放VID/PID或固件；
两个I2C总线的8位I/O扩展芯片(PCF8574T): —个用于驱动七段LED， 另一个用于读4位开关状态；
一个3.3￥电源转换器，它可以把5V转换成3.3V;
电源、中断/监控指示灯；
一个USB-B型连接头与主机连接；
一个RS232接口；
一个插针连接器并行接口，与外围电路连接。本例中与单片机集成实验 平台连接。
其与单片机集成实验平台的通讯如图7所示。
本实用新型实施案例如图8所示，除构成基本系统单元的功能模块外，单片机集成实验平台的系统扩展单元2由I/O扩展模块21、地址译码模块22、 计数器模块23、串行EEPROM24、逻辑及运放模块25组成。系统接口单元3 由RS232模块31、并行接口模块32、总线接口模块33组成。人机交互单元4 由键盘模块41、 LED模块42、 LCD模块43组成。数字输入单元5由开关量 输入模块51，遥控输入模块52组成。模拟输入单元6由温度采集模块60、光 线采集单元61、电机检测模块62、滤波模块63、全波整流模块64、声波采集 模块65、 V/F转换模块66、 A/D转换输入模块67、 4 20mA电流转0 5V电 压输入模块68、可调模拟量输入模块69组成。数字输出单元7由步进电机逻 辑驱动模块71、发光二极管驱动模块72、光柱驱动模块73、继电器驱动模块 74、隔离模块75组成。模拟输出单元8由D/A转换模块81、扬声器发声模块 82、 0 5V电压转4 20mA电流输出模块83、 PWM信号发生模块84、光驱 动模块85、直流电机驱动模块86组成。
面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，随机提供15项典型的嵌入式系 统实验，分别是单灯闪烁实验、按钮控灯实验、声控灯实验、光控灯实验、 红绿灯实验、温度控制实验、声频图象显示实验、电子琴实验、直流电机驱动 实验、步进电机驱动实验、流量计实验、示波器实验、逻辑电平显示实验、汉 字图形显示实验和音乐喷泉控制实验。借助配套的单片机集成实验平台驱动程 序库，采用计算机工程设计方法，就可以迅速构建特定的嵌入式系统，掌握嵌 入式系统架构方面的应用能力。
权利要求1.一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，其特征在于包括基本系统单元(1)、系统扩展单元(2)、系统接口单元(3)、人机交互单元(4)、数字输入单元(5)、模拟输入单元(6)、数字输出单元(7)、模拟输出单元(8)、伟福SP51仿真器(9)，基本系统单元(1)分别与系统扩展单元(2)、系统接口单元(3)、人机交互单元(4)、数字输入单元(5)、模拟输入单元(6)、数字输出单元(7)、模拟输出单元(8)、伟福SP51仿真器(9)相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，其 特征在于所述的基本系统单元(1)包括单片机(11)、数据存储器(12)、程 序存储器(13)、复位模块(14)、晶振模块(15)、程序下载接口 (16)，单片 机(11)分别与数据存储器(12)、程序存储器(13)、复位模块(14)、晶振 模块(15)、程序下载接口 (16)相连接，单片机(11)为80C31、 W78E52B 或AT89S52。
3. 根据权利要求2所述的一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，其 特征在于所述的复位模块(14)的内部模块连接关系为第一74HC14—斯密 特输入逻辑反相器(Ul)与第二74HC14—斯密特输入逻辑反相器(U2)串行 相连接，第一 74HC14—斯密特输入逻辑反相器(U2)输入端与按键(Kl) 一 端、三极管(Tl)集电极、第一电阻(Rl) —端、二极管(Dl)正极和电容(Cl)正极相连接，三极管(Tl)发射极接地，三极管(Tl)基极与第二电 阻(R2)相连接，第一电阻(Rl)另一端与二极管(Dl)负极接电源VCC， 按键(Kl)另一端与电容(Cl)负极均接地。
4. 根据权利要求2所述的一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，其 特征在于所述的晶振模块(15)的内部模块连接关系为第一跳线器(Jl)引 脚1与第一 74HC04—逻辑反相器(U3)输入端相连接，第一跳线器(Jl)引 脚2与晶振(XI) —端、第二电容(C2)相连接，第二跳线器(J2)弓|脚1 与第一 74HC04—逻辑反相器(U3)输出端、第二 74HC04—逻辑反相器(U4) 输入端相连接，第二跳线器(J2)引脚2与晶振(XI)另一端、第三电容(C3) 相连接，第二电容(C2和第三电容(C3)分别接地。
5. 据权利要求1所述的一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台，其 特征在于所述的伟福SP51仿真器(9)采用的仿真头型号为POD-S8X5X，仿真 器与基本系统单元(1)通过USB相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台。它包括基本系统单元、系统扩展单元、系统接口单元、人机交互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出单元、模拟输出单元、伟福SP51仿真器，基本系统单元分别与系统扩展单元、系统接口单元、人机交互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出单元、模拟输出单元、伟福SP51仿真器相连接。本实用新型开发全流程，既可与仿真器配合使用，又可独立运行；实验平台遵循计算机工程设计理念构建，在常规的单片机验证性功能基础上，重点关注用计算机工程设计方法构建嵌入式系统架构的能力。
文档编号G09B25/02GK201181545SQ20072030298
公开日2009年1月14日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者吴明光, 伟 张, 李化东, 黄克强 申请人:浙江大学