基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案

0 引言

“ 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”、“ 可編程邏輯器件與應(yīng)用”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是電子類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程，在電工電子教學(xué)中占有非常重要的地位，也是現(xiàn)代EDA 技術(shù)的重要組成部分。一方面，三門課程都具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于通過實(shí)踐，真正掌握軟硬件的有機(jī)結(jié)合和實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用能力。另一方面，三門課程聯(lián)系緊密，其中“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程是“可編程邏輯器件與應(yīng)用”課程的基礎(chǔ)，且隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的采用分立元件完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(duì)單片機(jī)外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展。因此，三門課程在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可分割。

雖然目前市場(chǎng)上有各式各樣的數(shù)字電路、EDA 或單片機(jī)的教學(xué)設(shè)備，但大多是獨(dú)立的、“單板式”的設(shè)計(jì)模式，即使有少量綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也只是簡(jiǎn)單的把幾門課程的實(shí)驗(yàn)資源集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后根據(jù)需要采用導(dǎo)線連接，和獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間并沒有本質(zhì)的區(qū)別。此外，不同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)設(shè)備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費(fèi)。最后，一體化的設(shè)計(jì)難于進(jìn)行功能的擴(kuò)展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在這種情況下，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高綜合利用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力出發(fā)，迫切需要一種既能完成每門課程的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，又能完成綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)上述問題，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(yàn)系統(tǒng)上既含有數(shù)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(jī)的硬件資源，可同時(shí)滿足三門課程的教學(xué)需要。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還預(yù)留擴(kuò)展接口，可以將設(shè)計(jì)的擴(kuò)展電路連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有利于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)分為：主控電路模塊、單片機(jī)模塊、PLD 模塊、人機(jī)交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預(yù)留擴(kuò)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?qū)崿F(xiàn)所有資源之間的任意連接。

人機(jī)交互模塊通過LCD12864 顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實(shí)現(xiàn)模式的選擇、設(shè)置信號(hào)的參數(shù)以及觀察測(cè)量結(jié)果等功能。

顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統(tǒng)稱為基本外設(shè)模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備信號(hào)發(fā)生和檢測(cè)功能，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)，并能測(cè)量輸入信號(hào)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(jié)構(gòu)和性能，又具有CPLD 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)非易失性、易于編程和瞬時(shí)接通的功能，應(yīng)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(chǔ)器件這一在用戶看來更容易識(shí)別的特性，所以被 Altera公司歸入CPLD.主控電路實(shí)現(xiàn)電路的動(dòng)態(tài)重組，可按需配置成不同的連接，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機(jī)模塊、 PLD模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、基本外設(shè)模塊等通過標(biāo)準(zhǔn)I/O口直接和主控電路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 連接(實(shí)線雙向箭頭所示)。由于器件內(nèi)部具有豐富的互連線，只需簡(jiǎn)單的硬件編程即可實(shí)現(xiàn)不同I/O接口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)，即實(shí)現(xiàn)片上數(shù)據(jù)路由的功能。因此，通過硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)對(duì)該CPLD進(jìn)行編程，即可完成其他功能模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)這些模塊之間的間接連接(虛心雙向箭頭所示)。對(duì)用戶而言，用戶只需要通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行配置控制，選擇需要的模式，就能調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)好的不同連接配置信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同模塊之間的動(dòng)態(tài)連接。具體說來，有三種形式的連接：

(1)把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量連接到PLD模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。同時(shí)可編程邏輯器件還可模擬74系列數(shù)字芯片，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

(2)把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量連接到單片機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

(3)把單片機(jī)模塊與PLD 模塊進(jìn)行連接，再通過PLD 模塊連接基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊等，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

對(duì)用戶來說，這些模塊之間是直接連接的，用戶只能接觸到基于動(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(jī)模塊

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

1.3 PLD模塊該模塊可根據(jù)需要更換不同的EDA核心板。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)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(dú)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(jī)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(zhuǎn)換器ADS7822、12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器 TLC5615、8個(gè)發(fā)光二極管、8個(gè)共陰7段數(shù)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。