基于上位機控制自動接線的單片機實驗系統(tǒng)研究

　　0 引言

　　對單片機實驗系統(tǒng)的基本需求是：在有限的IO 接口上可以進行多個項目的實驗。為了實現這個基本需求，在進行多個不同項目實驗時，要對單片機各個IO口進行現場重接線。傳統(tǒng)的單片機實驗裝置現場重接線方法有2類：

　　一類是現場手工插拔自鎖緊接插件；

　　另一類是現場手工插拔積木式實驗模塊。

　　這兩類接線方式的實質都屬于機械式金屬接觸。單片機實驗系統(tǒng)經過較長時間的使用，都難免會發(fā)生金屬接觸件之間的接觸不良現象。特別是自鎖緊接插件，問題更為嚴重：即使線芯開路了，從表面也難以通過肉眼發(fā)覺。導致實驗成功率低下，占用學生甚至指導老師的排故時間，嚴重影響了實驗效果。現代單片機實驗或單片機開發(fā)都離不開上位機對軟件的編譯和程序的下載。在實驗現場進行手工重接線時上位機處于空閑狀態(tài)。利用上位機控制對實驗現場進行自動重接線，是該研發(fā)項目研究的重要內容。

　　1 項目研發(fā)思路概述

　　項目的研發(fā)思路見圖1 所示的流程圖。首先從底層做起，經過深入調研，對自己要研制的項目進行定位，根據各個學校提出的具體要求進行篩選，制定出總共需要多少個實驗項目，并為各個實驗項目設計出對應的實驗電路圖，這些實驗電路圖作為項目研發(fā)的基礎理論依據。根據這實驗電路圖研制實驗系統(tǒng)硬件裝置，各個實驗項目對應的元器件（包含單片機）布置在電路板的頂層，控制現場自動重接線的電子式交叉開關電路所用到的元器件（ 包含FPGA 和專用模擬開關陣列ADG1161）布置在電路板的底層。

　　上位機和實驗系統(tǒng)通信采用USB連接，共要傳輸兩類數據，實驗項目編號和單片機實驗的目標程序。上位機應用軟件程序采用Visual C++編制，應用程序將各個實驗電路圖與實驗編號一一對應。當要做某個實驗項目時，可以啟動該實驗編號，自動調出實驗電路圖，將實驗編號通過接口電路傳送給實驗系統(tǒng)的控制部分，實驗系統(tǒng)控制部分獲得該實驗編號后，由FPGA內的51核，根據項目編號對應出電子式交叉開關的接通與斷開，實現現場自動重接線，使實驗系統(tǒng)滿足實驗電路圖接線要求。

　　此時便可以在上位機上做編程實驗，由專門的編譯系統(tǒng)（如Keil uV4或IAR）編譯實驗程序，產生目標代碼（*.bin 或*.hex），再由上位機通過所編制的應用程序將該目標代碼傳送給實驗系統(tǒng)的單片機內ROM中保存。單片機復位后便開始運行該目標程序，實現用戶實驗目的。

　　2 實驗系統(tǒng)中的電子式交叉開關及其控制電路設計

　　項目研發(fā)的關鍵是具有能按照不同的實驗電路指導現場自動重接線的裝置。即實驗系統(tǒng)的控制器按照上位機下達的實驗項目號對應出實驗電路，控制交叉開關進行現場自動接線。實現該控制功能所需的主要控制器件為2種：一種是超大規(guī)?，F場可編程的FPGA芯片；另一種是高性能的模擬開關陣列。通過對這兩種器件的有機組合，得到控制器電路結構框圖如圖2所示。