基于实验系统采用电路可动态重组的设计方案

图4 扩展接口连接示意

2实验系统模式

综合实验系统采用模式化结构，有0~7共8个模式，可通过人机交互模块中的按键S0~S4进行选择。其中模式0~4是单片机模式，模式5~7是可编程逻辑器件模式。不同模式下，电路的结构以及外围硬件资源均有不同。

2.1单片机模式

图5所示为模式0的电路结构。在模式0下，发光二极管连接在单片机的P0口，如果P0口相应位是逻辑"1"，则能够点亮对应的发光二极管。需要注意的是，P0口作为普通I/O口使用，需要接上拉电阻，图5仅为电路结构示意，实际电路中连接有5.1 kΩ。在模式0下，4×4矩阵按键不再作为矩阵按键使用，而是取矩阵按键中的K0~K7作为独立按键连接到单片机的P2口。该模式下，连接有DS18B20，AT24C08和ADS7822等硬件资源。


图5 模式0电路结构

图6所示为模式1的电路结构。在模式1下，矩阵按键中的K0~K3作为独立按键，连接到单片机的P2.0~P2.3口。模式1相对于模式0，增加了LCD1602、TLC5615以及蜂鸣器。LCD1602的数据线连接到单片机的P0口，控制信号RS、RW和E分别连接到P2.5口，P2.6口，P2.7口。为了简化编程，在模式1下，LCD1602被禁止读"忙"。这意味着，如果选用模式1对1602进行操作时，只能通过延时来实现控制。TLC5615的控制信号nCS和SCK分别连接到P3.2口和P3.6口，而串行数据则通过P3.7口进行传输。

模式2与模式1基本一致，区别在于将LCD1602换为12864.同样，模式2也不允许对12864进行读"忙"操作。

模式3是单片机I/O扩展模式，通过P0口和P2口进行I/O扩展；其中P0口用作数据通道，P2口用作控制通道。如：P2.0口用于使能发光二极管，P2.1口用于使能数码管的段选信号，P2.2口用于使能数码管的位选信号，P2.3和P2.4控制矩阵按键，P2.5和P2.6控制液晶显示器。在模式3下，单片机可以使用实验系统上的所有外围硬件资源。


图6 模式1电路结构

模式4是单片机总线模式，所有外围硬件资源通过总线与单片机相连，外围硬件资源地址为0×0400~0×0600.

2.2可编程逻辑器件模式

图7所示为模式5电路结构，即可编程逻辑器件模式。在模式5下，连接有发光二极管、数码管、4×4矩阵按键、TLC5615以及蜂鸣器。SW0~SW7是EDA核心板上的8个独立按键，按下为逻辑"0"。其中SW5连接在EP3C10E144C8芯片的多功能管脚nCEO上，需要通过软件将该管脚设置为普通I/O脚，否则按键SW5不能使用。提供三个时钟信号，clk0连接EDA核心板上的40 MHz有源晶振，clk1和clk2可在人机交互模块进行选择。

模式6与模式5基本一致，所不同的是模式6没有连接数码管，而是连接LCD1602.同样，在模式6下，1602不允许"读忙"操作。模式7将模式6的1602换为12864，其他连接完全相同。

3实验系统应用

综合实验系统制为实验箱的形式，如图8所示。目前已在我校承担了"单片机原理与应用"和"可编程逻辑器件与应用"两门课程的相关实验。


图7 模式5电路结构


图8 综合实验系统外观

（1）"单片机原理与应用"相关实验

包括流水灯的实现、数码管显示设计、接口技术--按键、串口通信、A/D转换、D/A转换、数字电压表的设计、数控信号发生器的设计、数字温度计的设计、彩灯控制系统的设计、电子万年历的设计等［4］。

（2）"可编程逻辑器件原理与应用"相关实验

包括：计数器的设计、LPM模块的应用、数控分频器的设计、数码管显示设计、数字频率计的设计、硬件电子琴的设计、矩阵键盘扫描电路的设计、直接数字频率合成器（DDS）的设计、D/A转化控制、字符型LCD显示、数字调制模块的设计、循环冗余校验模块的设计等。

4结语

设计良好的实验系统能够为学生学习电子技术提供优越的实验环境。该综合实验系统采用模式化结构、电路动态重组、预留扩展接口，较好地适应课程实验教学的要求。从2009年投入批量生产以来，学生反映良好，极大地提升了实验教学的效果。此外，还为本科毕业生提供了毕业设计的综合实验平台，能够满足多种教学需求。