基于實(shí)驗系統采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設計方案

0 引言

“ 數字電路與邏輯設計”、“ 可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”是電子類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課程，在電工電子教學(xué)中占有非常重要的地位，也是現代EDA 技術(shù)的重要組成部分。一方面，三門(mén)課程都具有很強的實(shí)踐應用性，學(xué)生學(xué)習的重點(diǎn)在于通過(guò)實(shí)踐，真正掌握軟硬件的有機結合和實(shí)際系統的應用能力。另一方面，三門(mén)課程聯(lián)系緊密，其中“數字電路與邏輯設計”課程是“可編程邏輯器件與應用”課程的基礎，且隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統的采用分立元件完成數字電路實(shí)驗的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時(shí)，在實(shí)際的工程應用中，經(jīng)常會(huì )需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對單片機外圍電路進(jìn)行擴展。因此，三門(mén)課程在電子系統設計中不可分割。

雖然目前市場(chǎng)上有各式各樣的數字電路、EDA 或單片機的教學(xué)設備，但大多是獨立的、“單板式”的設計模式，即使有少量綜合性實(shí)驗平臺，也只是簡(jiǎn)單的把幾門(mén)課程的實(shí)驗資源集成到一個(gè)實(shí)驗平臺，然后根據需要采用導線(xiàn)連接，和獨立的實(shí)驗平臺之間并沒(méi)有本質(zhì)的區別。此外，不同實(shí)驗平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的;但在不同的實(shí)驗設備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費。最后，一體化的設計難于進(jìn)行功能的擴展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng )新項目的設計。在這種情況下，從培養學(xué)生的創(chuàng )新精神和提高綜合利用所學(xué)知識解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力出發(fā)，迫切需要一種既能完成每門(mén)課程的獨立實(shí)驗，又能完成綜合性設計實(shí)驗的實(shí)驗平臺。

本實(shí)驗系統針對上述問(wèn)題，采用電路動(dòng)態(tài)重組的方式，提供0~7共8個(gè)模式，在一套實(shí)驗系統上既含有數字電路常用邏輯芯片的功能，也含有可編程邏輯器件、單片機的硬件資源，可同時(shí)滿(mǎn)足三門(mén)課程的教學(xué)需要。

實(shí)驗系統還預留擴展接口，可以將設計的擴展電路連接到實(shí)驗系統，有利于訓練學(xué)生的創(chuàng )新能力。

1 綜合實(shí)驗系統設計方案

綜合實(shí)驗系統采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設計方案，其系統結構框圖如圖1所示。

系統分為：主控電路模塊、單片機模塊、PLD 模塊、人機交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預留擴展接口模塊。

主控電路模塊是完成電路動(dòng)態(tài)配置的核心，能夠實(shí)現所有資源之間的任意連接。

人機交互模塊通過(guò)LCD12864 顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實(shí)現模式的選擇、設置信號的參數以及觀(guān)察測量結果等功能。

顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統稱(chēng)為基本外設模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實(shí)驗系統還配備信號發(fā)生和檢測功能，能夠產(chǎn)生頻率可調的方波信號，并能測量輸入信號的頻率和電壓。

1.1 主控電路模塊

主控電路模塊采用Altera 公司的MAX Ⅱ 系列EPM570T144C5N 作為控制芯片，MAXⅡ系列器件既具有FPGA 的查找表的體系結構和性能，又具有CPLD 存儲數據非易失性、易于編程和瞬時(shí)接通的功能，應用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時(shí)不需要外部存儲器件這一在用戶(hù)看來(lái)更容易識別的特性，所以被 Altera公司歸入CPLD.主控電路實(shí)現電路的動(dòng)態(tài)重組，可按需配置成不同的連接，實(shí)現綜合實(shí)驗系統的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機模塊、 PLD模塊、預留擴展接口模塊、基本外設模塊等通過(guò)標準I/O口直接和主控電路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 連接(實(shí)線(xiàn)雙向箭頭所示)。由于器件內部具有豐富的互連線(xiàn)，只需簡(jiǎn)單的硬件編程即可實(shí)現不同I/O接口之間的數據相互轉發(fā)，即實(shí)現片上數據路由的功能。因此，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)對該CPLD進(jìn)行編程，即可完成其他功能模塊之間的數據轉發(fā)，實(shí)現這些模塊之間的間接連接(虛心雙向箭頭所示)。對用戶(hù)而言，用戶(hù)只需要通過(guò)人機交互模塊進(jìn)行配置控制，選擇需要的模式，就能調用預先存儲好的不同連接配置信息，自動(dòng)實(shí)現實(shí)驗系統不同模塊之間的動(dòng)態(tài)連接。具體說(shuō)來(lái)，有三種形式的連接：

(1)把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到PLD模塊，實(shí)現獨立可編程邏輯器件實(shí)驗平臺的功能。同時(shí)可編程邏輯器件還可模擬74系列數字芯片，實(shí)現獨立的數字電路與邏輯設計實(shí)驗平臺的功能。

(2)把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到單片機模塊，實(shí)現獨立單片機實(shí)驗平臺的功能。

(3)把單片機模塊與PLD 模塊進(jìn)行連接，再通過(guò)PLD 模塊連接基本外設模塊、預留擴展接口模塊等，實(shí)現綜合實(shí)驗平臺的功能。

對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這些模塊之間是直接連接的，用戶(hù)只能接觸到基于動(dòng)態(tài)重組電路之上的各個(gè)功能模塊。

主控電路EPM570T144C5 的具體連接電路如圖3所示。

1.2 單片機模塊

單片機模塊目前選用器件為SST89E516RD，是SST公司生產(chǎn)的一款基于8051內核的8位單片機，最大特點(diǎn)是具有在線(xiàn)下載和在線(xiàn)調試功能。其管腳兼容AT89C51，時(shí)鐘頻率0~40 MHz，集成1 KB 片內RAM，64 KB+8 KB 的FLASH E2PROM.此外，單片機模塊還配置溫度傳感器DS18B20，8 KB 串行E2PROMAT24C08.單片機器件通過(guò)標準接插件連接到EPM570T144C5N，可根據需要隨時(shí)更換。

1.3 PLD模塊該模塊可根據需要更換不同的EDA核心板。

本實(shí)驗系統采用自行設計的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320個(gè)邏輯單元(LE)、46 個(gè)M9K 模塊、423Mbit 的RAM、以及23 個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)PLL、10個(gè)Gclks.該EDA核心板還提供8個(gè)獨立按鍵，1個(gè)40 MHz的有源晶振。

1.4 其他外圍硬件資源

在人機交互模塊、顯示模塊、以及矩陣按鍵模塊還提供一些常用的硬件資源，包括：10位高精度A/D轉換器ADS7822、12位高精度D/A轉換器 TLC5615、8個(gè)發(fā)光二極管、8個(gè)共陰7段數碼管、字符液晶1602、帶字庫點(diǎn)陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。