CN102156515A - 一种强扩展性的嵌入式开发板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强扩展性的嵌入式开发板，包括四部分组件：系统电源，包括USB供电接口、外部电源供电接口、自恢复保险丝、稳压器、电源自锁开关、电源指示灯；处理器最小系统，包括51单片机、AVR单片机、ARM处理器；板载基础资源，包括发光二极管、串行移位寄存器、4位8段共阴数码管、无源蜂鸣器、矩阵键盘、独立中断按键、串口电路、温度传感器、键盘鼠标接口、红外接收电路、EEPROM存储器、实时时钟、PWM/DA转换、ADC采样电路、USB接口、USB转串口芯片、1602点阵液晶模块接口、12864点阵液晶模块接口；扩展功能模块，包括SD/MMC卡接口电路、TFT彩色液晶触摸屏、音频模块、无线通信模块、网络模块。

Description

一种强扩展性的嵌入式开发板

技术领域

本发明涉及一种嵌入式实验开发设备，特别涉及一种具有强扩展性、支持多种单片机和ARM处理器的多功能嵌入式实验开发板。用于嵌入式实验、教学、研究、产品开发领域。

背景技术

传统的嵌入式开发板只支持同一类型单片机或ARM处理器，而且板载资源固定不变。这种实验开发板存在下述明显的缺点：

1、只能使用指定的处理器，开发板无法升级；

2、开发板资源固定，扩展性受到极大的限制；

3、仅含有简单的功能，无法满足嵌入式的高级应用；

4、由于处理器及资源固定，适用范围较小；

5、没有集成下载电路，需要购买专门的下载器；

6、下载程序、串行通信需要用标准9针RS232串口,给开发人员，特别是笔记本电脑用户带来很大的不便（目前很多电脑尤其笔记本电脑都不带标准9针RS232串口）；

7、传统的学习过程单调枯燥，缺少趣味性和娱乐性；

8、只能用于简单的实验开发，实用性较差；

9、不具备以太网、无线通信等能力，使得开发过程仅仅局限于单机功能上；

10、仅局限于对板上硬件的控制，把重点放在了硬件上，缺少数字信号处理、上位机通信、图像处理、文件系统等软件方向的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服传统单片机开发板的缺点和不足，设计一种支持多种单片机和ARM处理器的嵌入开发板，并充分利用各种接口来最大限度地扩展开发板的功能。将嵌入式处理器技术、微电子技术、自动控制技术、液晶触摸屏技术、数字信号处理技术、无线通信技术、上位机通信技术、图像处理技术、音频解码技术、TCP/IP和网络编程等技术融入到同一块嵌入式开发板中，使得嵌入式开发板具有支持多处理器、扩展能力强、功能丰富、使用方便、适用范围广、知识面综合、娱乐趣味性强、升级方便、实用性强等优点，同时可根据用户需要，利用扩展接口自行增加或裁减功能。该发明能够适用于广大师生、研究工作者或其他嵌入式爱好者的教学、研究或产品开发之中。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种强扩展性的嵌入式开发板，其硬件组成分为四部分：（1）系统电源，包括USB 5V供电接口、外部电源5V供电接口、500mA USB自恢复保险丝、3.3V集成稳压器AMS1117-3.3、电源自锁开关、电源指示灯；（2）处理器最小系统，包括传统8位51单片机最小系统、8位RISC指令的AVR单片机最小系统，32位ARM处理器STM32最小系统；（3）板载基础资源，包括8位发光二极管、74HC595串行移位寄存器、4位8段共阴数码管、无源蜂鸣器、4X4矩阵键盘、独立中断按键、MAX232串口电路、LM35或DS18B20温度传感器、PS2键盘鼠标接口、红外接收电路、EEPROM存储器、DS1302实时时钟、PWM/DA转换、ADC采样电路、USB接口、PL2303 USB转串口、1602点阵液晶模块接口、12864点阵液晶模块接口；（4）扩展功能模块，包括SD/MMC卡接口电路、TFT彩色液晶触摸屏、VS1003音频模块、NRF24L01无线通信模块、ENC28J60网络模块。

所述处理器最小系统可以自行更换，本发明提供51单片机、AVR单片机、ARM处理器STM32三种处理器最小系统，实际应用中可以根据需要选择最小系统，还可以自行设计其他处理器的最小系统。

所述扩展功能模块可以自行更换，本发明提供SD/MMC卡接口、TFT彩色液晶触摸屏、VS1003音频模块、NRF24L01无线通信模块、ENC28J60网络模块，共5种扩展模块，但实际应用并不限于使用这几种扩展模块，用户还可根据需要增加更多的功能模块。

所述TFT彩色液晶触摸屏像素为240X320，尺寸可选择2.4寸、2.8寸或3.2寸，并可选择不同的驱动IC。彩屏模块上带有串行FlASH存储器，可用于保存液晶字库文件或其他信息。另外还带有一个触摸板和一个触摸屏控制器。

本发明的作用原理如下：使用USB接口或者外部电源为开发板提供5V电源，再通过AMS1117－3.3稳压器得到一个3.3V的电源，根据不同的处理器，可以用跳线选择电源，普通型51单片机和普通型AVR单片机使用5V供电，低耗型51单片机、低功耗型AVR单片机和ARM处理器使用3.3V供电；500mA自恢复保险丝用于检测流过USB的电流，当大于500mA时就断开，起到保护作用，直到电流稳定于500mA以下才自动恢复连通。开发板直接集成了51单片机的最小系统，AVR和STM32的最小系统采用核心板的形式实现，并将其引脚重新排列成51单片机的形式，使得开发板能在同一位置使用不同的处理器，升级得以实现。开发板使用USB接口与电脑连接，板上集成USB转串口芯片PL2303，该芯片连接到处理器的USART异步串行通信口，这就使得电脑可以通过USB接口向处理器下载程序，并可实现电脑和开发板之间的串行通信。

本发明为了扩大开发板的适用范围，以及增强灵活性和扩展性，特别强调出基础资源和扩展资源。开发板上集成有LED、数码管、矩阵键盘等较多常用的基础资源，因此在不加入扩展功能模块的情况下，用户可以按需利用板上的基础资源来学习、研究和开发。对于嵌入式单片机的初学者、单片机课程教学、或者是相对较简单的开发应用，使用基础资源是最合适的。而对于深入学习、研究、开发或者是针对特定功能需要深入应用的用户，可以按各自需要来扩展各种的功能。例如要开发一个MP3播放器，可以扩展音频模块、SD卡模块、TFT彩屏模块；要搭建嵌入式Web服务器，可以扩展网络模块；要进行两机之间的无线通信，可扩展NRF24L01无线通信模块等等。本发明仅提供有限的扩展模块，用户还可根据自己需要设计出功能模块，实现按需扩展。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

1、处理器灵活更换，升级能力强，可使8位传统型或增强型单片机，也可以方便地升级至32位ARM处理器。

2、开发板资源不固定，可根据用户需要进行增加或裁减，使开发板的功能得到最大限度的扩展。

3、基础资源简单易学，配有详细的教程文档、视频教程、应用实例，初学者能够快速高效地入门。

4、特别配套开发板写出多个项目文档，引导用户进行项目开发，提高综合应用能力。

5、不仅含有简单易学的基础资源，还可以按需扩展其他的功能模块，能够满足众多较高级的嵌入式应用。

6、集成了下载电路，无需购买专门的下载器。

7、使用USB接口下载程序和串行通信，无需用标准9针RS-232串口,方便开发人员，特别是笔记本电脑用户使用。

8、加入TFT彩屏、音频模块、SD卡等，可制作MP3播放器、电子相框、计算器、电子钟、简易游戏机等，使开发板成为一个有声有色的系统，克服传统学习过程单调枯燥的缺点，增强了开发板的娱乐趣味性，同时用户体验和实用性也有较大的提高。

9、通过扩展网络模块或无线通信模块，使开发板具备以太网、无线通信等能力，使得开发过程不单单局限于单机功能上。还可利用开发板制作嵌入式Web服务器、无线传输终端等产品模型，增加了开发板的实用价值。

10、克服传统开发板偏硬件控制、缺少软件方向应用的不足，增加了数字信号处理、上位机通信、图像处理、文件系统、网络通信等信号处理与软件方向的应用。软硬件同步发展。

11、由于处理器可更换或升级，而且板上资源可增加或裁减，特别强调基础资源和扩展资源，并融入嵌入式处理器技术、微电子技术、自动控制技术、液晶触摸屏技术、数字信号处理技术、无线通信技术、上位机通信技术、图像处理技术、音频解码技术、TCP/IP和网络编程等技术，使得适用范围有效增大。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是系统电源原理图。

图3是51单片机最小系统连接原理图。

图4是AVR单片机最小系统连接原理图。

图5是ARM处理器STM32最小系统连接原理图。

图6是USB转串口连接原理图。

图7是8位LED连接原理图。

图8是4位8段共阴数码管连接原理图。

图9是无源蜂鸣器驱动电路连接原理图。

图10是矩阵键盘连接原理图。

图11是独立中断按键连接原理图。

图12是RS-232串口电平转换连接原理图。

图13是电阻分压ADC采样连接原理图。

图14是PWM到DA转换（低通滤波器）连接原理图。

图15是外部EERPOM连接原理图。

图16是DS1302实时时钟连接原理图。

图17是PS2接口连接原理图。

图18是温度传感器连接原理图。

图19是红外接收器连接原理图。

图20是1602和12864点阵液晶连接原理图。

图21是SD/MMC卡接口连接原理图。

图22是TFT彩色液晶触摸屏连接原理图。

图23是VS1003音频模块连接原理图。

图24是NRF24L01无线通信模块连接原理图。

图25是ENC28J60网络模块连接原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施示例：

参阅图1，本发明在板体上设置有PS2接口（1）、系统电源（2）、8位发光二极管（3）、系统复位电路（4）、4位共阴数码管（5）、74HC595串行移位寄存器（6）、无源蜂鸣器（7）、矩阵键盘（8）、TFT液晶触摸屏扩展接口（9）、12864点阵液晶屏接口（10）、1602点阵液晶屏接口（11）、电阻分压AD采样电路（12）、RS－232串口电平转换电路（13）、DR9标准RS－232接口（14）、500mA USB自恢复保险丝（15）、USB接口（16）、独立中断按键（17）、PWM到DA转换（低通滤波器）电路（18）、PL2303 USB转串口电路（19）、温度传感器（20）、无线通信模块扩展接口（21）、红外接收器（22）、DS1302实时时钟电路（23）、外部EEPROM电路（24）、处理器最小系统（25）、通用扩展接口（26）（可用于扩展音频模块、网络模块等）、时钟振荡电路（27）、SD/MMC卡扩展接口（28）。

参阅图2，系统电源可由USB接口或者外部直流电源接口（J2）提供5V电源；设有系统电源总开关（SW）、供电指示灯（DS1）；使用AMS1117－3.3稳压器（U1）产生3.3V电源，为系统3.3V的器件提供电源；USB电源经过一个500mA 自恢复保险丝（FUSE）再接入到系统电源，从而可以保护电脑的USB接口；另外分别引出了5V（P1）、3.3V（P2）、GND（P3）接口，方便对外部器件供电或者调试使用；5V和3.3V电源均设有高低频滤波电容，使得电源系统更稳定。

参阅图3，51单片机最小系统，含一个DIP40单片机插座（U6），可用AT89S51、AT89S52、STC89C51、STC89C52等传统51单片机，也可用STC12C5A60S2等增强型51单片机，由于可选择5V或3.3V供电，因此也可以使用STC12LE5A60S2等低功耗型51单片机；一个由电阻电容和按键组成的复位电路（R6、C11、RST1）；一个石英晶体时钟振荡电路（Y1、C10、C12）；一个冷启动开关（SW1），用于STC单片机开载程序过程中的冷启动；另外还设有单片机引出扩展IO接口（P5、P6），方便连接外部器件；两组接口（P5、P6）的另一个重要作用是作为AVR核心板、STM32核心板或其他处理器核心板的连接接口，使得开发板能够容易地更换或升级处理器。

参阅图4，AVR单片机最小系统，含一个DIP40单片机插座，可用ATMEGA16、ATMEGA32、ATMEGA16L、ATMEGA32L等AVR系列单片机；一个由电阻电容和按键组成的复位电路（R28、C24、RST2）组成的复位电路；一个石英晶体时钟振荡电路（Y1、C10、C12）；两组接口（PORT1、PORT2）用于与开发板连接，具体方法是，PORT1接口连接图3的P5接口，PORT2接口连接图3的P6接口，使开发板成为AVR单片机开发板。

参阅图5，ARM处理器STM32最小系统，含有一个LQFP48封装的处理器，可用STM32F103C8T6或STM32F103CBT6等处理器；一个启动电路（BOOT、R4、R5）；一个复位电路（RST、R2）；两个石英晶体时钟振荡电路，其中一个为8MHz时钟，经过9倍频后作为处理器72MHz系统时钟，而另一个为32.768KHz时钟，为STM32内部RTC提供时钟源；一个备份电池电路（BAT1、D1、D2），为STM32内部RTC和备份区提供电源，其中两个1N4148二极管D1和D2的作用是，当不接入外部电源VCC3.3时，由3V的BAT1电池为RTC和备份区提供电源，而当接入外部电源VCC3.3时，由外部电源为RTC和备份区提供电源，从而节省BAT1电池的电量；一个供电指示灯DS1和一个用户LED DS2；两组接口（P1、P2）用于与开发板连接，具体方法是，P1接口连接图3的P5接口，P2接口连接图3的P6接口，使开发板升级为ARM处理器STM32开发板。

参阅图6，PL2303 USB转串口电路，它是电脑USB接口和开发板异步串行通信接口的桥梁。DM、DP为USB信号，连接到电脑的USB两条数据总线上，电脑USB信号通过PL2303（U11）转换成USART串口信号。利用该电路，可以直接用USB线为处理器下载程序，也可以进行电脑和开发板之间的串行通信，同时USB口也是供电接口，这样就实现了一口多用的目的，使用起来轻松方便。另外设置了通信指示灯（DS2），用于指示数据传输的状态。

参阅图7，8位发光二极管电路，用于LED输出指示。

参阅图8，数码管驱动和显示电路，包括一个4位8段数码管，采用共阴极接法，4个NPN型三极管S8550，每个三极管负责控制一位数码管的选通，一个74HC595串行移位寄存器驱动电路，用于驱动数码管的8段LED。数码管可用静态扫描或静态扫描的方式来驱动。

参阅图9，蜂鸣器驱动电路，开发板使用无源蜂鸣器，需要用脉冲信号来驱动，三极管的基极通过电阻连接到单片机的PWM输出端口（P1.3），利用PWM信号来驱动蜂鸣器发声，通过改变PWM信号的频率和占空比就可以听到不同的声音。

参阅图10，矩阵键盘电路，采用4X4矩阵接法，通过一组8位的IO口来检测按键的状态。

参阅图11，独立中断按键，KEY1和KEY2的一端接地，另一端分别连接到单片机或ARM的两个中断引脚，可作为普通的独立按键使用，也可作为中断按键使用。

参阅图12，RS-232串口电平转换电路，用于标准的RS-232接口，将标准RS-232的12V电平转换成5V电平，使得标准RS-232设备能和开发板进行串行通信。如果电脑带有RS-232接口，也可以用该接口来为处理器下载程序。

参阅图13，电阻分压ADC采样电路，调节滑动变阻器R24，可改变输入到ADC第七通道的电压，用于做AD转换实验。

参阅图14，PWM到DA转换（低通滤波器）电路，输入端连接到处理器的PWM输出端口，PWM信号经过低通滤波器之后成为一个较平稳的直流信号，用处理器控制PWM信号的频率和占空比，可实现不同电压的输出，用于DA转换。

参阅图15，外部EERPOM，用于掉电保存数据，数据总线为IIC总线，通过连接两个上拉电阻保证其信号电气特性符合规范。EEPROM型号可选AT24C02、FM24C16等系列存储器。

参阅图16，DS1302实时时钟电路，用于制作数字电子钟。

参阅图17，PS2接口，用于连接PS2键盘或者PS2鼠标，处理器通过PS2协议实现与键盘鼠标之间的通信。

参阅图18，温度传感器电路，温度传感器为DS18B20型号的数字温度传感器，采用单总线协议传输数据，用于温度采集的实验或应用。

参阅图19，红外接收电路，红外接收器的信号输出端连接处理器的中断引脚，当接收到红外信号后，将红外信号转换为38KHz频率的脉冲信号进行传输，处理器接收到脉冲信号后进在中断，在中断服务函数捕获有用信息。

参阅图20，1602和12864点阵液晶连接电路。接口P13、P12分别用于连接1602和12864点阵液晶。1602液晶像素为16X2，可以显示两行字符，每行字符最多显示16个。12864液晶的像素为128X64，可以显示的内容比1602液晶多很多，而且其内部带有中文字库，支持中文显示。两种液晶均可以用串行或并行的方式与处理器进行通信。可用滑动变阻器R24调节两个液晶的对比度，它与图13的AD采样电路共用同一变阻器。

参阅图21，SD/MMC卡扩展接口，用于连接SD/MMC卡，使用SD卡的SPI数据传输模式，其数据总线连接到处理器的SPI总线上。可用于处理器来管理SD卡文件系统、读写文件数据等应用。

参阅图22，TFT彩色液晶触摸屏模块，含有一个像素为320X240的彩色液晶屏，大小可选择2.4寸、2.8寸或3.2寸，一个四线电阻触摸板，一个触摸屏控制器，可选ADS7843，ADS7846，XPT2046等兼容型号，一个FLASH存储器，一个74HC573锁存器，一个接16X2的接口。触摸板的四条信号线X+、Y+、X-、Y-连接到触摸屏控制器上，控制器采样信号后通过SPI方式输出数据。FLASH存储器用于保存液晶显示字库等常用的数据。设置74HC573锁存器的目的在于，因为驱动液晶需要较多的管脚，其中含有16条数据总，当管脚不够的时候，可用锁存器作缓冲，以减少管脚数量。模块上所有的数据线和电源连接在16X2的接口（P1）上，利用该接口与开发板连接。该模块可用于显示文字、图片等大量信息，最高可达26万种颜色，同时可利用触摸屏控制加入到控制应用中。

参阅图23，VS1003音频模块，含有数字音频解码芯片VS1003，该芯可对MP3、WAV、WMA、MIDI等格式的音频进行解码，同时还支持支持麦克风和线入(LINE-IN)两种录音方式，录音使用ADPCM/WAV格式。内含耳机功率放大器，可以直接连接耳机使用。其数据传输方式为SPI。VS1003内核电压为2.5V，该模块使用PAM3101DAB250稳压器为其提供2.5V电压。模块的数据线和电源线连接在接口P1上，利用P1接口连接到开发板的通用扩展接口上，就可以在开发板上进行与音频相关的应用，如利用录音功能制制录音机，又如结合SD卡和液晶屏制作MP3播放器等。

参阅图24，NRF24L01无线通信模块，含有一个2.4G单片无线射频收发芯片，外加时钟振荡电路、电源滤波电路、天线电路，构成了一个具备无线数据传输能力的模块。利用该模块可以实现两个或多个设备之间的数据传输，例如可以用于简单的文件传送，也可以用于组建多点数据传输系统等应用。开发板特别为该模块提供了一个接口，因此可以很方便地与处理器连接。其数据传输方式为SPI，数据总线连接到处理器的SPI总线上。

参阅图25，ENC28J60网络模块，含有一个10Mbps网络控制器ENC28J60，另外设有一个型号为HR911103A的网络变压器，网络控制器使用差分信号线与网络变压器相连。为保证通信的稳定性，加入了多个高低频滤波电容。网络模块引出接口（P1）与开发板的通用扩展接口相连，其数据传输方式为SPI，数据总线同样挂载到处理器的SPI总线上。开发板可利用该模块搭建一个嵌入式Web网络服务器，可在远程网络监控等领域作出应用。

此外，本发明结合开发板实现了多个综合性项目并整理出相应文档，包括：

项目（1）：基于FAT32文件系统的电子书制作。

项目（2）：基于51单片机的BMP图片解码。

项目（3）：摇控彩色俄罗斯方块。

项目（4）：简易MP3播放器。

项目（5）：基于RS-232和上位机的远程监控系统。

项目（6）：基于嵌入式TCP/IP的远程控制系统。

项目（7）：基于STM32的PDA。

项目（8）：基于NRF24L01的无线数据传输系统。

项目（9）：音频信号分析仪。

这些项目也是作为本发明的实施方式，能够充分地发应用各种知识来进行实际项目开发，再结合本发明扩展能力强的特点，可满足多种应用需求。

Claims (8)

1.一种强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于包括如下四部分组件：

系统电源，包括USB供电接口、外部电源供电接口、自恢复保险丝、稳压器、电源自锁开关、电源指示灯；

处理器最小系统，包括51单片机、AVR单片机、ARM处理器；

板载基础资源，包括发光二极管、串行移位寄存器、4位8段共阴数码管、无源蜂鸣器、矩阵键盘、独立中断按键、串口电路、温度传感器、键盘鼠标接口、红外接收电路、EEPROM存储器、实时时钟、PWM/DA转换、ADC采样电路、USB接口、USB转串口芯片、1602点阵液晶模块接口、12864点阵液晶模块接口；

扩展功能模块，包括SD/MMC卡接口电路、TFT彩色液晶触摸屏、音频模块、无线通信模块、网络模块；

上述四部分组件安装在一块电路板上，且该电路板上用于安装处理器最小系统和扩展功能模块的接口设置有能供开发者更换不同元件的更换模块。

2.根据权利要求1所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述系统电源组件使用USB供电接口或者外部电源供电接口提供5V电源，通过稳压器得到3.3V的电源，通过跳线为不同的处理器选择不同电源。

3.根据权利要求1或2所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述系统电源组件通过自恢复保险丝检测流过USB的电流，当大于500mA时就断开，直到电流稳定于500mA以下才自动恢复连通。

4.根据权利要求1所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述处理器最小系统组件集成了51单片机的最小系统，、AVR单片机和ARM处理器采用核心板的形式，并将其引脚重新排列成51单片机，使得嵌入式开发板能在同一位置使用不同的处理器。

5.根据权利要求1所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述嵌入式开发板通过板载基础资源组件的USB接口与电脑连接，并通过USB转串口芯片连接到处理器的异步串行通信口，使得电脑通过USB接口向处理器下载程序，并实现电脑和嵌入式开发板之间的串行通信。

6.根据权利要求1所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述嵌入式开发板设置有PS2接口（1）、系统电源（2）、8位发光二极管（3）、系统复位电路（4）、4位共阴数码管（5）、74HC595串行移位寄存器（6）、无源蜂鸣器（7）、矩阵键盘（8）、TFT液晶触摸屏扩展接口（9）、12864点阵液晶屏接口（10）、1602点阵液晶屏接口（11）、电阻分压AD采样电路（12）、RS－232串口电平转换电路（13）、DR9标准RS－232接口（14）、500mA USB自恢复保险丝（15）、USB接口（16）、独立中断按键（17）、PWM到DA转换（低通滤波器）电路（18）、PL2303 USB转串口电路（19）、温度传感器（20）、无线通信模块扩展接口（21）、红外接收器（22）、DS1302实时时钟电路（23）、外部EEPROM电路（24）、处理器最小系统（25）、通用扩展接口（26）（可用于扩展音频模块、网络模块等）、时钟振荡电路（27）、SD/MMC卡扩展接口（28）。

7.根据权利要求6所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述无线通信模块扩展接口（21）能够接入无线通信模块，实现两机或多机无线数据传输。

8.根据权利要求6所述的强扩展性的嵌入式开发板，其特征在于所述通用扩展接口（26）用于安装音频模块或网络模块，以制作MP3播放器、录音机、远程网络监控系统。

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