一种模块化数电、单片机、EDA、SOPC一体化实验平台的制作方法

本实用新型涉及实验设备技术领域，尤其涉及一种模块化数电、单片机、eda、sopc一体化实验平台。

背景技术：

常规的数字电子技术实验设备多是采用ttl逻辑器件和中小规模集成电路进行实验，用面包板和导线搭接，配合实验箱调试。但是此种方式存在，电接触稳定性不足、效率低、损耗大等缺点。而通常来说单片机、eda技术和sopc课程都包含综合设计类，学生往往在课内学时内，由于现有实验设备的缺陷而不能设计出效果满意的作品，但是如采用开放实验室的方法，则需要花费大量人力物力，而且加大实验室管理难度和安全隐患。

技术实现要素：

基于此，为解决在现有集成实验开发板性能不能满足使用需求的不足，特提出了一种模块化数电、单片机、eda、sopc一体化实验平台。

一种模块化数电、单片机、eda、sopc一体化实验平台，该平台包括电源模块、微控制器、输入输出模块和扩展接口模块，其特征在于：所述微控制器包括fpga芯片单元、51单片机和嵌入式微控制器中的至少一种；所述fpga芯片单元包括：微处理器，与所述微处理器相连接的时钟模块，与所述微处理器相连接的复位电路，与所述微处理器相连接的第一接口模块、与所述微处理器相连接的存储模块和与所述微处理器相连接的测试电路。

可选的，在其中一个实施例中，所述微处理器采用cycloneiv系列fpga芯片，优选采用ep4ce6f17c8n芯片。

可选的，在其中一个实施例中，所述第一接口模块包括与所述微处理器相连接的as-i接口模块和jtag接口模块；所述存储模块包括与所述微处理器相连接的sdram模块和flash模块；所述测试电路包括与所述微处理器相连接的流水灯电路和数码管电路。

可选的，在其中一个实施例中，所述sdram模块采用h57v1262gtr芯片，flash模块采用k9f1g08u0e芯片。

可选的，在其中一个实施例中，所述电源模块采用ams1117芯片，所述51单片机采用at89s51芯片电路，所述嵌入式单片机采用stm32单片机。

可选的，在其中一个实施例中，所述输入输出模块至少包括与所述微处理器相连接的红外接收模块、温度传感器模块、第二接口模块、显示模块、信号转换模块、按键模块、键盘模块、音频模块和拨位开关模块。

可选的，在其中一个实施例中，所述第二接口模块包括与所述微处理器相连接的ps2接口和vga接口，所述显示模块包括lcd显示模块、led点阵显示模块和led灯模块，所述信号转换模块包括d/a模块和a/d模块，所述音频模块包括扬声器模块。

可选的，在其中一个实施例中，所述d/a模块和a/d模块采用pcf8591芯片，所述温度传感器模块采用dht11芯片，lcd显示模块采用lcd12864芯片，扬声器模块采用isd1820芯片。

可选的，在其中一个实施例中，所述红外接收模块、温度传感器模块、led点阵显示模块、扬声器模块、括d/a模块和a/d模块均采用模块化封装形式。

实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：

本实用新型公开了一种模块化的集数字电子技术、单片机、eda技术、sopc技术一体化的综合型实验平台，其具有成本低、好维护、结构紧凑、功能模块全面的特点，其一，其外设模块丰富，既包括基础的模块(如数码管、led灯、拨位开关、按键、扬声器)来满足全部数电、单片机、eda、sopc全部基础实验的需求，又具有红外接收模块、led点阵、lcd屏、ad/da模块等来满足这些课程综合设计的需求；其二，其成本低，维护方便，本实验平台所采用各个器件均为现有常用器件，总体成本低于150元，远远低于现有实验平台价格，而且对于易坏的模块，采用模块化插口式的方法，易于更换，设备易于维护；其三，其结构紧凑，方便携带，申请人所试制的本实验平台尺寸仅为30cm*20cm，重量为450克，便于携带可作为口袋实验室，供学生课后使用；其四，本实验台在搭建完成后可直接使用现有实验软件进行硬件资源和软件开发，如可配合altera公司的quartusii软件,可以将数电、单片机、eda现有独立的实验平台，整合到本实验台来降低实验室设备购置成本和维护成本，同时在同一套开发板上完成四门课程的相关时间，节省学生学习硬件资源和软件开发方法的时间；其五，本实验平台改变现有实验平台一体式的设计方法，采用模块化设计，学生可以通过该实验平台认识fpga系统的硬件构成。综上所述，本实验平台成本低、易于维修维护、体积小、重量轻、便于携带，并可以在该实验平台上完成数电、单片机、eda、sopc多门课程实验，集多个实验平台为一体，适用于作为学生的口袋实验室、课外实验室完成自主学习和更高层次的设计开发。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中实验平台的电路结构框图；

图2为一个实施例中的基于fpga芯片单元的实验平台的电路原理图；

图3-1为一个实施例中实验平台具体的主控单元电路原理例图；

图3-2为一个实施例中实验平台具体的电源模块电路原理例图；

图3-3为一个实施例中实验平台具体的按键模块电路原理例图；

图3-4为一个实施例中实验平台具体的led灯模块电路原理例图；

图3-5为一个实施例中实验平台具体的数码管显示电路的电路原理例图；

图3-6为一个实施例中实验平台具体的时钟电路的电路原理例图；

图3-7为一个实施例中实验平台具体的串口通信电路原理例图；

图3-8为一个实施例中实验平台具体的拨位开关模块电路原理例图；

图3-9为一个实施例中实验平台具体的扩展io口电路原理例图；

图3-10为一个实施例中实验平台具体的液晶显示电路原理例图；

图3-11为一个实施例中实验平台具体的温度传感器与红外接收模块电路原理例图；

图3-12为一个实施例中实验平台具体的蜂鸣器驱动电路电路原理例图；

图3-13为一个实施例中实验平台具体的锁相环电路原理例图；

图3-14为一个实施例中实验平台具体的系统时钟电路原理例图；

图3-15为一个实施例中实验平台具体的下载接口电路原理例图；

图3-16为一个实施例中实验平台具体的重启配置电路原理例图；

图4为一个实施例中的51单片机电路原理图；

图5为一个实施例中的嵌入式微控制器电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。可以理解，本实用新型所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

对于电类学生来说，数字电子技术、eda技术、单片机技术均是重要的专业课程，但是就目前的实验台来说，其实验平台不统一，不同的实验需要购置不同的实验设备，造成了成本上的浪费，和学生学习上的不便；为解决上述问题，在本实施例中，特提出了一种模块化数电、单片机、eda、sopc一体化实验平台，在该实验平台上学生可以完成数电、eda、单片机的全部实验及联合应用实验且成本低、易携带，可以作为学生的口袋实验室；具体如图1-图2所示，该平台包括为平台供电的电源模块、微控制器、输入输出模块和扩展接口模块，其特征在于：所述微控制器包括fpga芯片单元、51单片机和嵌入式微控制器中的至少一种；所述fpga芯片单元包括：微处理器，与所述微处理器相连接的时钟模块，与所述微处理器相连接的复位电路，与所述微处理器相连接的第一接口模块、与所述微处理器相连接的存储模块和与所述微处理器相连接的测试电路；所述扩展接口模块即扩展io口，所述时钟模块采用晶振电路。用户可以按照实际实验需求选择fpga芯片单元、51单片机和嵌入式单片机中任意一种处理器进行接线操作，实现一机多用。

其中，所述微控制器为可替换的多种芯片所构成的最小系统模块，在一些具体的实施例中，其包括但不限于fpga芯片单元、51单片机和嵌入式单片机这3种处理器，用户可以按照实际实验需求选择任意一种处理器进行操作，所述fpga芯片单元中的微处理器采用cycloneiv系列fpga芯片，优选采用ep4ce6f17c8n芯片；所述第一接口模块包括as-i接口模块和jtag接口模块，其中的as-i接口能够支持过程和现场通信，其能够实现各种执行器或传感器布置于设备不同位置，在实际运用中，不需要很专业的知识，就可以进行安装，这种接口可以减少大量的安装成本，并且以后的维护大大减少；jtag接口能允许多个器件通过jtag接口串联在一起，形成一个jtag链，能实现对各个器件分别测试，jtag接口还常用于实现isp(in-systemprogrammer)，使得用户对flash模块等器件进行编程实验与练习；所述存储模块包括同步动态随机存储器-sdram模块和flash闪存模块，所述sdram模块采用h57v1262gtr芯片，flash模块采用k9f1g08u0e芯片；所述测试电路包括流水灯电路和数码管电路；在一些具体的实施例中，可以通过设置数码管循环显示数字与led灯闪烁，来测试最小系统板功能。

其中，电源模块为辅助电路供电电压为3.3或2.5v。在一些具体的实施例中，本实验平台在电源模块添加滤波模块以使得电源输出电压更为平稳。

其中，所述51单片机采用at89s51芯片电路，所述嵌入式微控制器采用stm32单片机。

其中，所述输入输出模块至少包括红外接收模块、温度传感器模块、第二接口模块、显示模块、信号转换模块、按键模块、4*4键盘模块、音频模块和拨位开关模块。在一些具体的实施例中，所述第二接口模块包括ps2接口和vga接口，所述显示模块包括lcd显示模块、led点阵显示模块和led灯模块，所述信号转换模块包括d/a模块和a/d模块，所述音频模块包括扬声器模块。在一些具体的实施例中，所述d/a模块和a/d模块采用pcf8591芯片，pcf8591芯片具有4路模拟输入，1路模拟输出和一个串行i2c总线接口用来与fpga通信，所述温湿度测量模块传感器采用dht11芯片，为dht11的精度湿度+-5％rh，温度+-2℃，量程湿度20-90％rh，温度0～50℃；lcd显示模块采用lcd12864芯片，其分辨率为128*64，内置汉字字库提供8192个16×16点阵汉字，2m时钟频率；扬声器模块采用isd1820芯片，可实现8-20秒语音录放。

所述红外接收模块、温湿度传感模块、led点阵显示模块、扬声器模块、括d/a模块和a/d模块均采用模块化封装形式，以灵活的从实验平台上插拔。在一些具体的实施例中，作为下载模块的jtag接口和asp接口，除了某些需要单独专门使用的io口以外，其它都用排针引出，而不是将其与固件焊接，以实现开发板的灵活性和扩展性，方便用户的使用，可以利用实验平台进行再次开发。

基于上述设计方案，如图3-1---图3-16以及图4-图5给出申请人所设计的具体的实验平台所包含的器件以及对应的引脚电路图，其主要包括电源模块、微控制器即主控单元、按键模块、led灯模块、数码管显示电路、ds1203时钟电路、串口通信电路、拨位开关模块、扩展io口电路、液晶显示电路、温度传感器与红外接收模块电路、蜂鸣器驱动电路、锁相环pll电路、系统时钟电路、下载接口电路、重启配置电路、51单片机电路、嵌入式微控制器等等，同时上述器件可以依据实际实验需求进行自由配置，各个模块间的引脚连接关系可具体参看上述原理图，通过上述实验平台帮助学生很好的完成数电、单片机、eda、sopc多门课程实验。

基于上述内容控制，本实用新型将具有以下应用：

1、学生可以在本实用新型所构造的硬件平台上，应用ateral公司配套的开发软件quartusii进行数电实验开发，以调用ttl逻辑电路或小型集成系统来使用led灯、数码管、拨位开关等作为输入输出，观察实验现象；

2、学生可以在本实用新型所构造的硬件平台上，基于sopc技术调用mc8051单片机软核，在实验平台的fpga内部构造一个兼容的8051单片机，以在实验平台完成单片机课程的基础实验及综合设计实验。

3、学生可以在本实用新型所构造的硬件平台上进行eda技术的相关实验，掌握fpga软件开发的同时，可以在实验平台接口自己搭建输入输出模块电路，强化了fpga硬件开发相关知识的学习。

4、学生可以在本实用新型所构造的硬件平台上，使用quartusii软件中来使用qsys工具建立niosii处理器系统，添加niosii系统文件，完成sopc系统搭建，创建软件工程，在实验平台上完成spoc基础及综合实验。

综上可知，使用本实用新型后，学生可以完成数电、单片机、eda、spoc多门课程的实验并完成外围电路模块搭建，强化硬件电路设计能力提升；且体积小、重量轻、便于携带、成本低廉，适用于学生口袋实验室建设。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。