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一种通用模块化单片机实验系统的设计

作者：汪 建 杨风开 江 晨

来源：《数字技术与应用》2009年第12期

[摘 要]给出一种采用MCS-51/96系列单片机为核心的通用模块化单片机实验系统的硬件设计,该系统能在一块电路板上灵活地进行单片机系统与各种外部接口器件连接的实验,从而能有效锻炼学生的实验能力和动手能力,进而提高了《单片机原理及应用》课程的教学质量。 [关键词]单片机 实验教学系统 模块化设计

[中图分类号]TP278[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0043-03 引言

《单片机原理及应用技术》是一门实践性和实用性都很强的课程,其最终落脚点在于培养学生单片机的应用能力。[1]因此, 在教学中,选用一套针对性强的单片机实验系统非常重要。以华中科技大学单片机教学为例,长期以来都是使用实验箱,结构复杂且硬件电路固定,既不利于提高学生理解单片机系统硬件的能力,又不足以锻炼学生的动手和创新能力,十分影响教学效果。有人针对这样的问题做出了相应改进,即采用所谓的模块化设计[2][3],但常规的模块化系统由一块块插板组成,不仅增加了制作成本和复杂度,也加大了实验室的器材管理难度,远不够实用。

1 实验系统总体概述

本文提出的实验系统能有效地解决上述两个问题,是一种新型的模块化单片机实验系统。该实验系统是以MCS-51/96 单片机为核心构成的单片机实验系统,整体结构采用模块化设计。能完成MCS- 51/96 系列单片机的输入/ 输出、内部资源和常见外围接口的实验,具有非常好的可扩充性。系统主要由单片机模块、扩展接口及各种接口电路模块组成,全部集成在一块电路板上。系统组成结构如图1 所示。

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实验系统通过串行通讯接口与PC机连接,通过上位PC机可将编译生成的程序下载到实验系统中;系统配置了各种接口电路模块,这些接口模块通过接插针导线,可与单片机模块连接,从而能够使学生在了解及掌握微机接口技术、软件开发以及应用系统的设计等方面,经历一个循序渐进的学习过程。学生在做实验过程中,完全可以根据自己的需要选择、连接硬件模块;而系统硬件模块的安排会给予学生充分的自主性,完成同样的实验可以使用不同的解决方案,甚至在可编程逻辑器件的帮助下,能自行分配硬件资源和地址。这样的系统设计充分体现了灵活性,配以合理的软硬件实验安排,学生的创新能力可以发挥到极致。

2 实验系统硬件设计

整个实验系统的硬件设计较为复杂,下面选择重要且有特色的部分予以详细叙述。 2.1 CPU模块的设计

CPU是整个系统的核心,模块化的设计思想是设计一种通用的可扩展的适用于51系列和96系列单片机的解决方案。该模块的方案概括而言是在主机板上先设计51系列的插座,然后再为96系列单独做一块插板,把信号线连接好以便需要的时候进行扩展。

51系列的插座设计如图2左边所示,单片机的2个并口P1和P3分别用排针引出,还设置了插孔方便学生用导线进行扩展连接;数据线/低位地址线、高位地址线分别用排针引出来进行存储器的扩展。

96系列的CPU选用与8096/8098系列结构、功能基本相同的80C196系列。该系列芯片是INTEL公司MCS-96系列单片机中重要的较新成员,包括KB和KC两档。这类芯片不仅保留了MCS-96系列老芯片的功能,而且扩展了一些新的功能,使之成为该系列芯片中目前性能较强的一款型号[4]。

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由于选用的80C196KB是68引脚的芯片,而上述的51单片机插座是40脚,故要设计一个转接片将80C196中功能一致的引脚与系统板相连。其他有用的引脚如HSI等单独在96板上设置插针连接。

2.2 存储器系统的设计

存储器系统由锁存器74LS373、62系列的RAM芯片和27系列的EPROM芯片组成。74LS373为地址锁存器,其目的是锁存低8位地址码,即在单片机访问存储器时,先传送地址码的低8位,再传送8位的数据。62和27系列芯片的地址高2位A14和A13用插孔引出扩展,便于使用不同大小(8K～32K)的芯片。存储器芯片的片选信号由GAL器件给出。存储器系统设计图如图2所示。

2.3 输入输出扩展系统的设计