式系统的单片机集成实验平台的研制.pdf

《式系统的单片机集成实验平台的研制.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《式系统的单片机集成实验平台的研制.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、望塑!Q 丝二兰!堑C N“一2 0 3 4 T实验技术与管理E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g ya n dM a n a g e m e n t第2 5 卷第9 期2 0 0 8 年9 月V 0 1 2 5N o 9S e p 2 0 0 8面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的研制仲玉芳1，黄克强2，吴明光1(1 浙江大学信息科学与工程学院，浙江杭州3 1 0 0 2 7；2 浙江大学机械与能源工程学院，浙江杭州3 1 0 0 2 7)摘要：介绍了一种面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的设计方案、使用方法和应用实例。该硬件平台提供了8 个单元和

2、近4 0 个实验模块，可以非常方便地进行各种单片机实验，在常规的单片机验证性功能基础上，重点关注培养学生应用计算机工程设计方法构建嵌入式系统架构的能力。关键词：嵌入式系统；单片机；实验平台；实践能力中图分类号：G 6 4 2 4 2 3；T P 3 6 8 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 2-4 9 5 6(2 0 0 8)0 9 0 0 7 7 0 5D e v e l o p m e n to fas i n g l e-c h i pm i c r o c o m p u t e ri n t e g r a t i o np e r i m e n t a l p l a t f

3、 o r m1 l b e d d e d e x p e r i m e n t a lp l a t t o I I no r i e n t e de m b e d d e ds y s t e mZ H O N GY u f a n g，H U A N GK e-q i a n g，W UM i n g-g u a n g(1 C o H e g eo fI n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，Z h e j i a n gU n i v e r s i t y，a a n g z h o u31 0

4、0 2 7，C h i n a；2 C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE n e r g yE I l g i n e e r i n g，g h e j i a n gU n i v e r s i t y，H 蚰曲O U3 1 0 0 2 7，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rd e s c r i b e sd e s i g np r o c e s s t h eu 8 eo fm e t h o d sa n da p p l i c a t i o ne x a m p l e sf

5、o rM C Ui n t e g r a t e d 旺-p e r i m e n t a lp l a t f o r mo r i e n t e de m b e d d e ds y s t e m T h eI l a I d w a 弛p l a t f o r mp r o v i d e se i g h tu n i t sa n dn e a r l y4 0e x p e r i m e n t a lm o d d e s，w h i c hi sv e r yc o n v e n i e n tt oc a r r yO U tv a r i o u sM C

6、Ue x p e r i m e n t s，o nt h eb a s i so fr e g u l a rM C Uc e r t i f i c a t i o nf u n c t i o n，f o c u s i n go nu s i n gd e s i g nm e t h o d so fc o m p u t e re n g i n e e r i n gt ob u i l dt h e 瑚p 地崎o fe m b e d d e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e K e yw o r d s：e m b e d d e ds

7、y s t e m；S C M；e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m；p r a c t i c ea b i l i t y单片机技术是高等院校计算机、仪器仪表、自动化等专业必须掌握的一门基本技术。国内高校在单片机教学方面做了很多有益的探索和改革，各院校都投入了大量的人力、物力来建立自己的单片机应用实验室或实践基地。但现有商品化单片机实验装置提供的功能、线路板和电路都是固定的，使得学生只能进行有限的验证性实验，虽然一定程度上可以让学生熟悉和掌握单片机的基本知识，但存在不利于培养学生综合运用知识的缺憾。国内高校意识到商品化单片机实验装置的不足，提出了各种

8、设计和专利，相应的实验装置实现方法各异，但其思收稿日期：2 0 0 7 1 0 1 9作者简介：仲玉芳(1 9 7 3 一)，男。江苏省姜堰市人。在读硕士生，工程师。主要从事实验教学、仪器仪表开发和智能照明产品的研究开发路基本一致开放单片机资源，提供实验者自选设计实验内容的可能性。上述有益的探索，丰富了单片机实验装置的功能，使学生在一定程度上能够主动参与实验过程，学生的综合运用知识的能力亦得到了提高，但是探索仍存在相当的局限性。为此，从培养学生掌握嵌入式系统架构设计能力和企业对求职者的技能要求角度出发，遵循计算机工程设计方法，本文研制出了一套面向嵌入式系统的单片机集成实验平台。1 嵌入式系统简

9、介1 1 嵌入式系统的概念所谓嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 7 8实验技术与管理算机系统，嵌入式系统是单片机技术的主要应用形式，它包括硬件和软件两部分，二者协同完成特定的任务。1 2 嵌入式系统的特点(1)由于嵌入式系统的系统资源相对有限，所以其内核与传统的操作系统内核相比要小得多。(2)嵌入式系统中的软件系统和硬件结合非常紧密，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。(3)嵌入式系统本身不具备自开发能力，必须通过一套开发工具和环境进行开发。(4)支持实时、多任务，软件固化存储以提高速度，能处理多任务，

10、并且能够在限定的时间内响应中断。(5)软件代码要求高质量和高可靠性，并具有较强的存储区保护功能。1 3 嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程大致可分为4 个阶段：嵌入式系统的方案设计、方案确认、构建原型机和实现嵌入式系统。鉴于对嵌入式系统的开发时间和可靠性要求越来越高，因此现行的开发模式有别于传统模式采用已有成果(如各种功能模块)，构建满足特定要求的嵌入式系统已成为不可逆转的趋势，其思想与软件业的软件复用技术、芯片业S o C 设计中的I P 重组技术相似。1 4 嵌入式系统应用分类嵌入式系统的应用主要分为低端和高端。高端应用主要以D S P 和3 2 位微控制器与微处理器为主，在网络、通信、

11、数字信号处理、数据变换和网络传输等领域得到广泛应用。低端应用是指以8 位单片机作为微控制器的嵌入式系统，在对处理器响应速度要求不高的自动化、工业控制和仪器仪表等领域得到极大应用。2 单片机集成实验平台的硬件设计单片机集成实验平台支持嵌入式系统开发全流程，既可与仿真器配合使用，又可独立运行。实验平台构建遵循计算机工程设计理念，采用模块设计，可根据需要任意剪裁，在常规单片机验证性功能基础上，重点关注培养学生用计算机工程设计方法构建嵌入式系统架构的能力。2 1单片机集成实验平台的组成和结构单片机集成实验平台面向嵌入式系统，采用计算机工程方法设计。单片机集成实验平台由基本系统单元、系统扩展单元、人机交

12、互单元、数字输入单元、模拟输入单元、数字输出单元、模拟输出单元、系统接口单元组成。各单元配置种类繁多，常见的功能模块通过简单的连接就能够快速完成满足特定需求的嵌入式系统；扩展性实验则需要较多的连线来实现设计者的功能，这样可以训练和培养学生的动手能力、综合能力、自主创新能力。单片机集成实验平台随机提供1 5项嵌入式系统设计实验：单灯闪烁实验、按钮控灯实验、声控灯实验、光控灯实验、红绿灯实验、温度控制实验、声频图象显示实验、电子琴实验、直流电机驱动实验、步进电机驱动实验、流量计实验、示波器实验、逻辑电平显示实验、汉字图形显示实验和音乐喷泉控制实验。学生也可通过将自行设计的功能模块纳入系统，构建个性

13、化嵌入式系统，达到掌握嵌入式系统架构设计技能的目的。单片机集成实验平台的结构框图如图l，系统单元电路原理图如图2。2 2 基本系统单元基本系统单元由单片机运行时必须的功能模块组成，是系统的核心，其中包括复位模块、晶振模块、C P U 及片外数据和程序存储器、程序下载口等。2 3 系统基本扩展单元系统基本扩展单元加强了系统的核心功能，其中包括I O 扩展模块、地址译码模块、计数模块、串行E E P R O M 扩展模块及逻辑和运放模块。2 4 人机交互单元人机交互单元用于扩展人机界面，包括L E D显示模块、L C D 显示模块及键盘输入模块。2 5 输入单元输入单元包括2 个部分：数字输入部分

14、，用于开关量的输入；模拟输入部分包含传感器、处理电路、A D 转换器，用于模拟量的采集，其中含有A D 转换输入模块、4 2 0m A 电流转为O 一5V 电压的电压输入模块、滤波放大模块、全波整流模块、V F 转换模块、声波采集模块、温度采集模块、光线采集模块、遥控输入模块、开关量输入模块、直流电机转速相位检测模块及步进电机转速相位检测模块。2 6 输出单元输出包括2 个部分：数字输出部分用于开关量的输出，可控制继电器等；模拟输出部分包含P W M，D A 转换器及执行器，用于模拟量的按比例执行，其中含有D A 转换输出模块、0 5V 电压转为4 2 0m A 电流的输出模块、步进电机逻辑

15、仲玉芳，等：面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的研制驱动模块、P W M 信号发生模块、发光二极管驱动模块、光柱驱动模块、继电器输出模块、扬声器驱数据总线地址总线控制总线C P U2 1 一II 一一一3 l-一一仁=R S 2 3 2 模块i-一-6 0动模块、隔离模块、直流电机驱动模块及电灯驱动模块。l基本系统单元一1 31 4程序存储器|复位模块|I 晶振模块|I 程序下载接口图1 单片机集成实验平台的结构框图4一卑广人机交互单元时嚣尺数字输出单元尺模拟输出单元勇孔r L-户致字输入单元。厂模拟输入单庀 实验技术与管理图2 单片机集成实验平台系统单元电路原理图2 7 接口单元接口单元用于

16、和其他系统相连，扩展本开发平台的功能，其中包括R S 2 3 2 模块、总线接口模块和并行接口模块。2 8U S B 单元U S B 单元是基于E Z U S B 系列的U S B 总线控制器，它集成了U S B 的收发器、串行总线接口机制、功能接口单元和收发缓冲区。U S B 模块的1 2 C 总线上，接有2 块8 位I O 扩展芯片(U 5，U 7：P C F 8 5 7 4 T)和1 块用于E Z U S B 引导、标识U S B 设备的E E P R O M(u 8)，用做存放V I D P I D或固件。按键和7 段L E D 通过u 5 和U 7 接到1 2 C总线上。这样，一方面

17、为用户调试固件程序提供了方便，另一方面，空出A、B、c 这3 个I O 口以供开发使用。U 7 提供了到一位7 段L E D 的8 位输出。U S B 模块通过一个插针连接器与单片机集成实验平台的总线接1 3 连接。通过U S B B 型连接头与主机连接。3 单片机集成实验平台的使用单片机集成实验平台提供面向嵌入式系统的集成开发环境：P C 平台上运行伟福E 6 0 0 0 仿真软件，进行嵌入式系统的方案设计；E 6 0 0 0 仿真软件结合伟福S P 5 1 仿真器(仿真头P O D S 8 X 5 X)以及单片机集成实验平台，实现嵌入式系统设计方案的确认；在单片机集成实验平台上通过简单的模

18、块连接，采用计算机工程设计方法快速构建满足特定需求的嵌入式系统原型机，通过P C 机下载机器码至伟福S P 5 1 仿真器，或用下载线直接下载到支持I S P 功能的C P U(如A T 8 9 L S 5 2)中，实施原型机测试；烧写E P R O M 或含E P R O M 的C P U(如W 7 8 E 5 2 B)，或用下载线对支持I S P 功能的C P U(如A T 8 9 S 5 2)进行在线编程，完成脱机测试和嵌入式系统的开发。4 开发实例单片机集成实验平台随机提供了1 5 项嵌入式系统设计实验，学生借助配套的驱动程序库，采用计算机工程设计方法，可以快速构建特定的嵌入式系统，掌

19、握嵌入式系统方面的应用能力。更进一步，学生在单片机集成实验平台上可以自行构建嵌入式系统，比如流量积算仪等。流量积算仪的硬件平台由基本系统单元、数字输入单元中的开关量输人模块、人机交互单元中的 仲玉芳。等：面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的研制8 1L E D 和键盘模块组成。涡轮流量传感器L W G Y 1 0的脉冲输出与开关量输入模块相连。流量积算仪的应用软件由3 部分组成：键盘扫描程序、L E D 显示程序和流量计算程序。键盘扫描和L E D 显示直接从单片机集成实验平台配套的驱动程序库中移植。流量计算程序则在驱动程序库的开关量输入驱动程序基础上作相应的修改即可。5 结束语面向嵌入式系统

20、的单片机集成实验平台的研制成功，为单片机教学的实践环节提供了有力的保障。通过该平台提供的各种实验和学生的自主创新实验，激发了学生的学习兴趣，增强了学生的动手能力，为以后学习嵌入式系统的高端应用打下了坚实的基础。将嵌入式系统的概念、设计方法以及计算机工程设计理念引入单片机的教学中，开拓了学生的视野，提高了学生的自主创新能力，缩短了与实际项目的距离，增强了就业竞争力。经过我校两个学院0 2、0 3 届相关专业学生的使用，无论是参加毕业设计项目或是大学生电子竞赛，学生的各项能力都比以前有了很大的提高。参考文献R e f e r e n c e s)：1 秦晓梅，陈育斌，杨建华单片机综合设计实验课程的

21、建设与开发 J 实验技术与管理，2 0 0 4，2 1(2)：1 1 4 1 1 8，1 3 1 2 王建萍优化单片机课程实验教学的新思路与实践 J 实验技术与管理，2 0 0 6，2 3(1 1)：1 0 8-1 1 0 3 杜治国单片机实验教学改革探讨 J 中国人民公安大学学报，2 6(1)：1 0 0-1 0 2，4 肖伸平，凌云，何小宁，等单片机应用技术课程实践化教学改革的探索 J 实验技术与管理，2 0 0 6，2 3(1 2)：1 0 4-1 0 6，1 3 4 5】李耀开放式单片机实验仪；中国，Z L 0 2 2 6 3 5 8 7 4 P 2 0 0 3-0 6 1 1 6 孙

22、安青，郝卫东仿真塑单片机实验仪：中国，Z L 2 0 0 4 2 0 0 3 3 8 9 2 7 P 2 0 0 6-0 1-2 5【7】徐卓农，任嘉，周又实一种新型单片机实验装置：中国，Z L 2 0 0 4 2 0 0 6 8 2 7 8 4 P ，2 0 0 6 0 4 2 6 8 周蠓，钟迎霞，任继国模块化单片机实验装置：中国，墨2 0 5 7 5 1 6 1 P】2 0 0 6-0 8 1 6 9 李清平，张承学，胡志坚单片机应用开发平台研制 J 微型机与应甩，2 0 0 2(5)：1 9 2 0，5 4 1 0 杨明欣。张杰，郑郁正基于s r I 单片机的实验开发平台的设计 J 成

23、都信息工程学院学报，2 0 0 6，2 1(3)：4 1 0 4 1 3(上接第6 5 页)和雷诺数忍，如图5 所示。从图5 中可以看出，加改进剂前后直管阻力系数变化很大，当R e 4 0 0 0、流体处于湍流区时，加剂后直管摩擦系数A低于1 5 1 0，系统阻力大幅下降。说明装置能完全满足测量原油流动性能的要求，可以模拟工业管道的不同工况。图5 加剂前后原油的流动性能4 结论采用先进的自动控制技术和压差传感器测量压差的方法，提高了原油流动过程中的流动性能测试精度。将卧式改为立式降低了装置占地，实验数据表明立式装置对压差测量影响较小，完全能满足实验教学的要求。参考文献(R e f e r e n c e s)：1】沈本贤，徐心茹，赵基钢，等树立品牌意识建设高水平的油气储运工程专业 J 化工高等教育，2 0 0 6，2 3(6)；2 7 3 0 2 张足斌张国忠管道流动实验装置的研制与调试 J 油气储运，2 0 0 0，1 9(1)：2 5 2 8 3 庞春天。沈本贤，凌昊。等斯盘增进聚丙烯酸酯类原油降凝剂效果的研究 J 油气储运，2 0 0 6，2 5(9)：4 5 铝 4】范传宝鲁宁管道输送混合原油的现场试验研究 J 油气储运，2 0 0 5，2 4(1 0)：3 8 加 5 尚凤山原油混合输送的技术问题 J 油气储运。2 0 0 4，2 3(5)：6，7