CN100495479C

CN100495479C - 基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置

Info

Publication number: CN100495479C
Application number: CNB2007100264300A
Authority: CN
Inventors: 朱宁西; 张齐; 王小璠; 李中; 陈冬发; 王高鹏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: CN101042815A

Abstract

本发明公开了一种基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，该装置包括微控制器、键盘显示模块、数字模拟I/O单元、可编程逻辑器件ispLSI、存储器单元、装载运行控制单元、调试环境主机等。微控制器通过总线、双向I/O端口与各功能模块相连，教学实验装置与调试环境主机采用串口连接。本发明在含80C52内核的微控制器芯片MCU SM5964基础上，外围扩展了单片机教学实验中常用的功能模块、通信接口和在系统可编程逻辑器件ispLSI。因此本装置不仅具有单片机仿真、存储器编程、教学实验和程序装载诸功能，且兼有可编程逻辑门阵列电路学习板功能，通过对门阵列的逻辑功能在线修改可实现教学实验装置的系统重构。

Description

基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置

技术领域

本发明涉及一种单片机教学，尤其涉及一种基于可编程程序逻辑器件的多功能嵌入式单片机教学实验装置；具体涉及一种具有单片机仿真、ispLSI编程、且集成了单片机系统常用的功能模块单元和各种通信接口的教学实验系统。

背景技术

微控制器MCU是在单芯片计算机(国内俗称单片机)理念基础上发展起来的，是将微处理器及其外围电路、外设接口等集成制作在同一芯片中，无需其他辅助电路支持即可独立完成运算、放大、处理等工作的集成电路，具有优异的外围接口控制功能，易于构成各种工控、自适应控制、数据采集等系统，以及数字化、智能化、多功能化等新一代机电一体化产品，并可在大型测控系统中与主机并行工作，提高系统速度。

8位MCU和32位MCU是MCU产业的两大支柱，由于8位MCU系统具有较高的性价比，8位MCU在未来可预见的时期里都是MCU系统应用的主流机型，目前仍有巨大的发展空间。2006年最新统计数据表示，8位MCU的发货量继续保持平稳，相比16位和32位的总和还要多，其占到总量的60％以上。

8位MCU中最具典型的芯片是兼容标准MCS-51指令系统的各种型号的MCU芯片，因此MCS-51原理及应用也成为学校MCU教学经典内容，学习MCU不能纸上谈兵，长期以来传统的MCU教学实验开发工具就一直成为广大师生、初学者以及工程师学习开发的屏障。学习MCU首先要有实验对象即实验电路板。而完成的一个正规实验电路板的制作，首先需要从原理图的设计、元件的采购(零售难买且贵)、PCB的设计及订做着手，这样就耗费一定人力和物力，其次在调试过程中要使用的开发工具就是仿真器，专业的仿真器价格都在1500以上，而且仿真得到的结果和在实际的目标系统运行的结果往往还存有一定偏差。另外，仿真器不能写存储器芯片，还得购买编程器来写存储器芯片，这些工具不仅花费大，各种开发工具之间的关系对于初次学习MCU的学生都难以理清，由于学时有限，许多学生一直到该课程结束还未能完全掌握这些工具之间的关系和使用方法。再一点就是传统的MCU教学实验开发工具经常要插拔仿真头，插拔CPU芯片、写存储器芯片，不仅过程繁琐，而且容易损坏开发工具、目标系统和集成电路芯片。

根据本人的MCU多年的教学经验和与同行之间的交流情况得知，在MCU的教学和实验中，师生都希望有一种简单、快捷、真实并适合教学实验的一体化的MCU嵌入式开发系统，不需要仿真器，也不需要编程器这一类工具，整个教学实验过程简单化，使学生能集中精力抓住重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种MCU学习板、实验板、开发板、编程器、仿真器、在系统调试一体化的教学实验装置。该装置兼有可编程逻辑门阵列电路ispLSI学习板功能。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，包括微控制器MCU1、键盘显示模块2、硬串口3、软串口4、以太网接口5、USB/I²C/SPI接口6、数字模拟I/O单元7、在系统可编程逻辑器件ispLSI8、日历时钟单元9、存储器单元10、装载运行控制单元11和电源模块12构成；所述键盘显示模块2连接微控制器MCU 1的P1.3和INT0端口，所述硬串口3连接微控制器MCU1的RXD和TXD端口，所述软串口4连接微控制器MCU 1的P4.0和INT1端口，以太网接口5、USB/I²C/SPI接口6、数字模拟I/O单元7、日历时钟单元9和存储器单元10连接微控制器MCU1的系统总线，所述可编程逻辑器件ispLSI8完成系统中的逻辑控制并简化单片机中的外围电路，所述装载运行控制单元11连接微控制器MCU 1的EA和RST端口，所述微控制器芯片内部设有监控程序，还嵌入了可编程逻辑器件ispLSI 8的编程软件，实现对可编程逻辑门阵列电路的在线编程与学习。

本发明的微控制器1采用型号为MCU SM5964，它是与80C51指令系统兼容的高速微控制器芯片，具有44脚PLCC封装规格的SM5964与标准的80C52比较，增加了P4.0～P4.3共4个双向I/O端口。所述微控制器MCUSM5964内部有64KB的FLASH程序存储器和1KB的RAM数据存储器，FLASH程序存储器存有本发明的监控程序，监控程序占用FLASH存储器不到32KB，由于SM5964内部的FLASH存储器具有ISP功能，所以监控程序也可以通过串口、网络口、USB口升级。当微控制器MCU SM5964的EA引脚为高时，启动内部FLASH存储器的监控程序，监控程序至少完成以下任务：1)初始化SM5964的内部的寄存器；2)设置软串口接收中断；3)接收调试环境主机发来的命令数据包并解析；4)执行相应命令，返回执行结果给调试环境主机。5)接收由各种通信接口发来的命令数据包、解析、执行，返回执行结果到通信接口；6)升级MCU SM5964中的监控程序；7)更新外部存储器SRAM62C256中的用户程序；8)在线编程ispLSI器件的程序；9)网络芯片(NIC)的初始化，并配置了简化的TCP/IP协议栈。

本发明的键盘显示模块2与微控制器MCU SM59641之间采用软串口连接方式，所述显示器为位共阴极八段数码管动态显示器，键盘为行列矩阵式非编码键盘，4×4矩阵16键键盘，分别为数字【0】～【9】、【·】、【+】、【功能】、【确认】、【取消】、【统计】。键盘显示模块2可以作为MCU多功能教学实验装置的人机接口，完成信息的输入与输出，如“食堂/超市收费终端”键盘可用于设置实时日历时钟、设置运行参数、输入开机密码、工号和消费额，显示器用于指示按键信息、统计值等。

本发明中的存储器单元10包括并行接口的随机数据存储器SRAM62C256和I²C串行接口EEPROM AT24C256，SRAM 62C256通过SM5964的系统总线扩展，设计为冯·诺依曼连接，占用的内存空间为0000H～07FFFH。所述SRAM 62C256用于存放需要调试的用户程序，程序空间和数据空间在不重叠的情况下可自由设置，所述SRAM 62C256也可以用来存放Keil C51编译软件工具自带的Mon51.Hex。当把Mon51.Hex下载到SRAM 62C256时，配合Keil C51(51系列单片机及其兼容机的C语言软件开发软件)集成调试环境，可实现Keil C51具有的全部调试功能。AT24C256为非易失性存储器，具有断电数据保护功能，如在“食堂/超市收费终端”中可以用来存储消费记录和运行参数，在设计微型WEB服务器时可存放WEB页。

本发明中的软串口4对应连接微控制器MCU SM5964 1的P4.0和INT1端口，并通过电平转换芯片MAX232将TTL电平转换为RS-232电平，实现与计算机串行口的直接通信。软串口4使用MCU的I/O口用软件的方法模拟UART时序。本教学实验装置由于使用软串口，所以不占用MCU的硬串口资源，硬串口3使用电平转换芯片MAX232另一组转换器将TTL电平转换为RS-232电平，也可与计算机串行口的直接通信。

本发明中的微控制器MCU SM59641内部的FLASH程序存储器中嵌入了可编程逻辑器件ispLSI 8的编程软件，实现了对ispLSI的在线编程。所述装载运行控制单元11是由基本RS触发器和与非门电路组成，通过基本RS触发器控制SM5964的EA端口，实现监控程序和用户程序的切换。

本发明中的综合调试工具的通信接口和方式可选择：串口、Modem、TCP和UDP。串口方式表示串口调试工具，需设置串口号、波特率；Modem表示Modem调试工具，除设置串口号、波特率外、还要设置被叫电话号码。后两种方式为网络调试工具，需设置远端IP地址和端口号。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)教学实验装置以80C52内核的MCU SM5964为核心，外围扩展了目前在单片机教学实验中常用的功能模块、通信接口和复杂的可编程逻辑器件ispLSI。可实现仿真调试、芯片编程、教学实验和程序装载一体化，调试的应用软件存放在SRAM中，写入速度快，擦写次数无限，具有ROM仿真和CPU仿真的功能，其中CPU仿真具有单步、跨步、全速、断点、读写DATA/CODE/XDATA/SFR等调试功能，仿真CPU就是目标系统CPU，无须插拔，可有效降低了教学实验装置故障率。本发明以嵌入式开发方式实现了在线程序设计和功能调试。

(2)教学实验装置中采用在线可编程逻辑器件ispLSI，ispLSI中未使用的I/O引脚全部引出。使用ispLSI不仅简化了电路设计，降低成本，还可以作为可编程逻辑器件学习实验板。

附图说明

图1是本发明单片机教学实验装置的外观示意图；

图2是本发明单片机教学实验装置的组成框图；

图3是单片机教学实验装置的CPU、装载运行控制和ispLSI单元原理图；

图4是本发明单片机教学实验装置的存储器原理、日历时钟单元原理图；

图5是本发明单片机教学实验装置的硬串口、软串口原理图；

图6是应用单片机教学实验装置下载HEX、BIN和JEDEC文件流程图。

具体实施方式

下面通过实施例结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图2所示，本发明的单片机教学装置是由微控制器MCU SM59641、键盘显示模块2、硬串口3、软串口4、以太网接口5、USB/I²C/SPI接口6、数字模拟I/O单元7、可编程逻辑器件ispLSI 8、日历时钟单元9、存储器单元10、装载运行控制单元11和电源模块12构成，键盘显示模块2连接方式连接到微控制器MCU SM5964 1的P1.3和INT0端口，其电平为TTL电平，所述显示器为8位共阴极八段数码动态显示器，键盘为行列矩阵式非编码键盘，4×4矩阵16键键盘；硬串口3连接微控制器MCU SM5964 1的RXD、TXD端口，软串口4连接微控制器MCU SM5964 1的P4.0和INT1端口；软串口4和硬串口3的通信连接可实现CPU仿真调试，具备Keil C51(51系列单片机及其兼容机的C语言软件开发软件)所提供的全部硬件调试功能。以太网接口5、USB接口6、数字模拟I/O单元7、日历时钟单元9和存储器单元10连接微控制器MCU SM59641的系统总线；可编程逻辑器件ispLSI 8完成系统中逻辑控制并简化单片机中的外围电路；装载运行控制单元11连接微控制器MCUSM5964 1的EA和RST端口，所述微控制器芯片内部含有监控程序，还嵌入了可编程逻辑器件ispLSI 8的编程软件，实现对可编程逻辑门阵列电路的在线编程与学习。电源模块12为单片机教学装置各模块提供电源。

图3是本发明的微控制器MCU、装载运行控制和ispLSI单元原理图，图中U3为CPU，型号是MCU SM5964，但本发明的实现并不局限于此种型号的选择。U6为ispLSI，型号是ispLSI 1032，但本发明的实现并不局限于此种型号的选择。教学实验装置具有两种工作模式：LOAD模式和RUN模式，通过装载运行控制单元11实现。

如果按一下【LOAD】键，U7第8脚置为高电平，接SM5964的EA脚，同时U7第6脚产生高复位信号，教学实验装置切换为LOAD模式，在LOAD模式下，教学实验装置运行SM5964片内FLASH中的监控程序，监控程序完成初始化后至少有两个功能：1)把调试环境主机所下传的HEX文件和BIN文件写入SRAM 62C256；2)或把调试环境主机所下传的JEDEC文件写入ispLSI1032。

如果按一下【RUN】键，U7第8脚置为低电平，接SM5964的EA脚，同时U7第6脚产生高复位信号，教学实验装置切换为RUN模式，在RUN模式下，教学实验装置运行SRAM 62C256中的程序。

JEDEC文件写入原理描述如下：在LOAD模式下，U7第11脚置为低电平，双向电子模拟开关74HC4066接通，U1：SM5964通过P4.0～P4.3对应连接到ispLSI1032的SCLK、MODE、SDI和SDO引脚，ispLSI1032的ispEN为低电平，ispLSI1032所有I/O口为高阻态，允许对芯片ispLSI1032编程。MODE是模式控制信号，SCLK是串行时钟输入，它为片内接受输入数据的移位寄存器以及控制编程操作的时序逻辑电路提供时钟信号。SDI是串行数据和命令输入端，SDO是串行数据输出端。SM5964片内FLASH中嵌入ispLSI的编程软件。

图4是本发明的存储器单元和日历时钟单元原理图，如图4所示，U9：62C256为32KB SRAM存储器，内存空间地址为0000H～7FFFH，PSEN和RD相与后接U9第27脚OE控制端，62C256存储器设计为冯·诺依曼连接，用于存放需要调试的用户程序或Keil C51的Mon51.HEX。DS12C887为日历时钟芯片，提供时间基准，AT24C256为具有I²C总线接口的32×8Kb的串行EEPROM非易失存储器，提供数据记录空间。

如图1所示，本发明提供的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置和调试环境主机13连接，连接通信接口可以是软串口、硬串口、USB口或网络口。图5是本发明硬串口、软串口的原理图，在CPU仿真调试方式下，调试环境主机13须连接到教学实验装置软串口，装置的软串口使用MCU的外部中断INT1监测数据输入。在ROM仿真调试方式下，调试环境主机13可连接到教学实验装置软串口、硬串口、USB口或网络口任意之一，配合本发明的调试环境主机所安装的用户下载程序，可实现ROM仿真调试。图6是本发明下载HEX、BIN和JEDEC文件流程图。按一下【LOAD】按钮，装置启动内部监控程序。调试环境主机中软件ComView发送命令，命令字＝0x11，表示要下传HEX文件；命令字＝0x12，表示要下传BIN文件；命令字＝0x13，表示要下传JEDEC文件；命令字＝0x14，表示要读SRAM62256中的程序BIN代码；命令字＝0x15，表示要读ispLSI中的JEDEC代码。

实施例1—CPU仿真调试方式：

1、在图1中，按下【LOAD】按钮，教学实验装置复位，同时启动MCUSM59641片内FLASH中监控程序。这时教学实验装置的外部特征为(1)【LOAD】按钮上方的红色指示灯亮；(2)键盘显示模块2的8位8段LED显示器以“走马灯”形式显示“8.”。

2、启动本发明的调试环境主机13所安装的软件ComView，选择通信连接方式和波特率，选择MONINT1.Hex，MONINT1.Hex是CPU仿真模式的监控程序，占用的地址空间不到5KB。将选择的文件下载到存储器10(SRAM62C256)中的0000H地址，然后按下【RUN】按钮，教学实验装置开始运行存储器10(SRAM62C256)中的MONINT1.Hex仿真监控程序。

3、启动Keil C51的Windows环境编译工具，建立工程，并修改启动向量，把

CSEG AT 0

C_STARTUP：LJMP STARTUP1

改为

CSEG AT 4000H；表示用户程序从4000H处存放

？C_STARTUP：LJMP STARTUP1

4、对Keil C51的BL51、Debug做简单设置，完成此修改和设置的作用使得用户程序将从4000H处启动，至此设置全部完成。在此环境下可实现源程序文件(包括C文件或A51文件)的新建、打开和编辑功能。源程序文件完成后，选择Debug菜单下的Start/Stop Debug Session的功能，即可启动CPU仿真，CPU仿真具有的单步、跨步、全速、断点、读写DATA/CODE/XDATA/SFR等调试功能。

实施例2—ROM仿真调试方式(含ispLSI的JEDEC文件下载模式)：

1、如图1，按下【LOAD】按钮，教学实验装置复位同时启动微处理器MCU SM5964 1片内FLASH中监控程序，这时教学实验装置的外部特征为(1)【LOAD】按钮上方的红色指示灯亮；(2)键盘显示模块2的8位8段LED显示器以“走马灯”形式显示“8.”。

2、启动本发明的调试环境主机13所安装的软件ComView，选择通信连接方式和波特率，选择要下载的文件(即用户程序文件)，可以是Intel HEX文件、Bin文件和JEDEC文件，下载成功后(这里可实现“下载”、“读出”、“校验”等功能)，如图1，按下【RUN】按钮，【RUN】按钮上方的绿色指示灯亮，表示教学实验装置复位同时启动存储器10(SRAM 62C256)中的用户程序。由于用户程序实际上是被写到存储器10(SRAM 62C256)中，它具有写入速度快，擦写次数无限等优点。Bin文件下载方法同Intel HEX文件下载方法完全一致。这种ROM仿真调试用户只能通过教学实验装置的外部声光特征，如显示器、蜂鸣器、按键、串口数据指示灯来判断程序运行的正确与否。它不具备Debug的单步、断点等调试功能。

JEDEC文件下载操作方法也相同，但是JEDEC文件写ispLSI的文件要经教学实验装置中的SM5964中嵌入式软件转换格式后写入ispLSI。许多软件工具均支持ispLSI的开发，如：ispEXPERT、Synario软件，它们能够支持ispLSI器件的设计、编译和逻辑模拟，能够进行原理图输入、ABEL-HDL、VHDL硬件描述语言输入，并且还提供了功能仿真，可以用报告形式或波形观察器检查仿真结果。混合式设计输入方式允许在同一器件的设计中同时采用原理图、高级语言、真值表和状态机输入方式。逻辑设计流程包括下列步骤：设计输入、设计实现、器件编程、设计校验等。

目前单片机教学实验开发工具至少要使用仿真器、实验板。写程序片还要配置通用编程器。仿真器通过通信口连接到电脑，仿真器的仿真头插入到实验板的CPU芯片位置构成一个开发环境，仿真调试完成后，将仿真头由实验板拔出，换上CPU芯片，在此之前需向CPU芯片中的程序存储器写入仿真调试后认为正确的程序。如果发现实际运行结果同仿真调试结果不一致，还要重复以上过程。由此，目前单片机教学实验开发工具具有下列缺点：1)使用部件多，成本高，开发过程复杂；2)实验板上CPU芯片和仿真器仿真头的频繁插拔，成连接不良的故障；3)实际运行结果同仿真调试结果不一致，无法确定是仿真器，是实验板，还是用户软件引起的；4)程序存储器无论在CPU芯片内部还是外部，写入次数均有限，且写入速度慢；5)目前的实验板均不支持可编程逻辑器件，而可编程逻辑器件是单片机系统中经常使用的重要器件，使用可编程逻辑器件可大大减少系统外围逻辑门芯片。针对上述缺陷，本发明将仿真、实验(学习)、下载编程一体化，大大减少了软硬件开发环境中的部件；开发过程中无元件插拔，仿真调试同实际运行无区别，经常调试的用户程序是写入到SRAM中，写入次数无限；装置配置了在线可编程逻辑器件ispLSI，使得学生同时可开发可编程逻辑器件。装置具有“一板多用”的特点。

本发明中的单片机教学实验装置集成了各种外设接口，通过以太网接口可学习网络通信和TCP/IP协议；通过USB接口可学习单片机对U盘的读写操作；通过I²C接口可学习单片机对I²C总线器件的操作；通过SPI接口可学习单片机对SPI总线器件的操作；通过数字模拟I/O单元可学习单片机对外部模拟数字信息的采集控制；通过日历时钟单元可学习单片机对日历时钟的读写驱动；通过键盘显示模块可学习单片机的人机界面操作软件编写；通过硬串口可学习单片机和其他计算机系统之间的数据传输通信。

Claims

1、基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于包括型号为SM5964的微控制器MCU(1)、键盘显示模块(2)、硬串口(3)、软串口(4)、以太网接口(5)、USB/I²C/SPI接口(6)、数字模拟I/O单元(7)、在线可编程逻辑器件ispLSI(8)、日历时钟单元(9)、存储器单元(10)和装载运行控制单元(11)；所述键盘显示模块(2)连接微控制器MCU(1)的P1.3和INT0端口，所述硬串口(3)连接微控制器MCU(1)的RXD和TXD端口，所述软串口(4)连接微控制器MCU(1)的P4.0和INT1端口，以太网接口(5)、USB接口(6)、数字模拟I/O单元(7)、日历时钟单元(9)和存储器单元(10)连接微控制器MCU(1)的系统总线，所述可编程逻辑器件ispLSI(8)完成系统中的逻辑控制并简化单片机中的外围电路，所述装载运行控制单元(11)连接微控制器MCU(1)的EA和RST端口，所述微控制器芯片内部设有监控程序，还嵌入了可编程逻辑器件ispLSI(8)的编程软件，实现对可编程逻辑门阵列电路的在线编程与学习。

2、根据权利要求1所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述的单片机教学装置与调试环境主机(13)之间可采用硬串口(3)、软串口(4)、以太网接口(5)或USB/I²C/SPI接口(6)连接，当采用软串口(4)连接传输信息时，软串口(4)使用微控制器MCU(1)的I/O口用软件的方法模拟通用异步收发器工作时序，不占用MCU的硬串口资源；所述调试环境主机(13)上安装有仿真开发软件、用户程序下载工具软件和通信口综合调试工具软件。

3、根据权利要求1所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述教学实验装置还包括电源模块(12)及蜂鸣器、运行指示灯、通信指示灯、继电器和继电器通断指示灯，所述电源模块(12)给所有单元和接口供电。

4、根据权利要求1所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述键盘显示模块(2)与微控制器MCU(1)之间采用另外一个软串口连接，其电平为TTL电平，所述键盘显示模块中的显示单元为8位共阴极八段数码管动态显示器，键盘为行列矩阵式非编码键盘，4×4矩阵16键键盘。

5、根据权利要求1所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述微控制器MCU(1)的型号为44脚PLCC封装的SM5964芯片，芯片具有P4端口，芯片内部有64KB的FLASH存储器，写入了本发明的监控程序，在芯片外部配置了32KB的SRAM存储器，SRAM存储器设计为冯·诺依曼连接，即可用于存放需要调试的用户程序，也可作为数据存储器存放数据。

6、根据权利要求1所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述存储器单元(10)包括并行接口的随机数据存储器和串行接口的非易失性存储器。

7、根据权利要求2所述的基于在线可编程逻辑器件的单片机教学实验装置，其特征在于所述通信口综合调试工具的通信接口方式选择串口或Modem。