CN104504974A - 单片机系统设计与开发实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片机系统设计与开发实验仪，主要包括键盘与LCD交互多级菜单显示实验、温度传感器信号的A/D转换与数据采集实验、D/A转换与波形发生实验、CAN总线通信实验、RS485总线通信实验、LIN总线通信通信实验、RS232接口通信实验、无线射频收发通信实验、基于CPLD实现的双机并行通信实验、基于通信SPI接口的双单片机通信实验，基于H桥PWM驱动器的微型直流电机调速实验、微型步进电机调速实验、看门狗实验，适用于广大学生和从事单片机系统的开发科技人员深入系统学习单片机系统设计与开发方法。

Description

单片机系统设计与开发实验仪

技术领域

本发明涉及单片机系统设计与开发领域，具体地说，是一种单片机系统设计与开发实验仪。

背景技术

单片机原理及应用课程一直以来作为电子信息类大学本科首选基础课程之一，与之配套单片机原理及应用教材，传统教学内容主要包括51单片机的汇编指令系统，汇编语言程序设计，C语言程序设计(C51)，51单片机常规接口技术，如并行接口，串行接口，A/D转换器及其接口，键盘与LCD显示屏及其接口，I2C接口，SPI接口等。虽然有些单片机教材增加一些新的接口技术以及proteus单片机仿真软件等教学内容，但重点仍是传统教学内容。学生使用这些教材，只能学到简单的编程方法和简单的接口技术，缺乏单片机系统整体设计概念，不能从系统的角度来设计一个单片机应用系统。

目前国内普通高等院校使用的单片机原理实验箱，不论是什么厂家生产的，也不论实验内容如何推陈出新，都是互相孤立的实验内容，仅仅针对单片机控制某一特定外设的原理性验证实验，没有从工程应用的角度系统设计实验内容，学生通过实验仅能了解单片机控制某一特定外设原理和实验结果，缺乏了解单片机控制某一特定外设有什么用？为什么要采用某种接口方式控制外设？其他控制方式又会怎么？单片机控制接口信号电平有什么特点，传感器输出电压与调理放大器的输出电压如何测试？模拟通道采集电压与A/D转换器结果的对应关系如何验证？串行通信和并行通信为什么要制定通信协议，如何制定？诸如此类带工程应用背景的实验内容、实验方法、启发性思考题，传统单片机原理实验箱都无能为力。只有从单片机系统设计出发，把单片机实验内容与工程应用背景相结合，与接口信号电平特征、接口数据格式相结合，才能使学生建立起单片机系统的概念，建立起从数据转换到数据传输、再到数据处理、数据存储、数据显示等一系列相关的系统概念，建立起信号测试、信号测量、信号发生、信号传输、信号控制一系列相关的系统概念，为单片机系统工程应用打下坚实基础。

发明内容

基于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种系统集成化高，实用性强的一种单片机系统设计与开发实验仪。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种单片机系统设计与开发实验仪，包括主板、扩展板；所述主板中，STC89系列单片机与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、地址译码器、串行铁电存储器、CPLD芯片、ISP下载接口相连接；地址译码器与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、CPLD芯片相连接；CPLD芯片和JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座与STC89系列单片机、图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、ISP下载接口、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片、JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片均与主板的64芯PC104插接件相连接；所述主板的64芯PC104插接件与所述扩展板的64芯PC104插接件上、下堆栈式连接；所述扩展板中，扩展板的64芯PC104插接件分别与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、扩展板的+5V直流电源插座、独立CAN控制器、RS485总线收发器、STC12系列单片机相连接；所述+5V与3.3V电平转换电路与无线射频模块SPI接口电路相连接；+3.3V电压调节器与无线射频模块SPI接口电路相连接；所述+3.3V电压调节器与+5V直流电源插座相连接，所述扩展板的+5V直流电源插座与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、+5V/±5V隔离DC-DC电路、独立CAN控制器、RS485总线收发器、LIN总线收发器、H桥可逆PWM驱动电路、STC12系列单片机、双霍尔开关传感器、步进电机达林顿驱动电路、+5V步进电机相连接；所述+5V/±5V隔离DC-DC电路分别与温度传感器及接口电路、串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路、串行DAC电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；所述温度传感器及接口电路通过短接器与串行ADC电路相连接，所述温度传感器及接口电路通过短接器与并行ADC电路相连接；所述STC12系列单片机分别与ISP下载接口、3档拨动开关、H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路、双霍尔开关传感器、+5V步进电机达林顿驱动电路、LIN总线收发器相连接；所述+5V步进电机达林顿驱动电路和+5V步进电机相连接；+3V减速直流电机分别与H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；

所述图形点阵LCD模块用于多级汉字菜单显示；所述字符点阵LCD模块用于字符串显示；所述主板STC89系列单片机用于采集、处理、存储实验数据；所述温度传感器及接口电路连接串行ADC电路或并行ADC电路，在STC89系列单片机控制下用于室温采集实验；所述扩展板STC12系列单片机是电机控制专用微控制器，一方面用来控制H桥可逆PWM驱动电路，实现+3V减速直流电机的调速实验，另一方面用于控制步进电机达林顿驱动电路，实现+5V步进电机调速实验；所述RS485总线收发器完成基于主板STC89系列单片机控制的RS485总线通信实验；所述独立CAN控制器用于完成基于主板STC89系列单片机控制的CAN总线通信实验；所述主板的ISP下载接口除了完成主板STC89系列单片机在系统编程下载实验代码外，还用于完成RS232接口通信实验；所述无线射频模块SPI接口电路用于完成基于主板STC89系列单片机或CPLD芯片控制的无线射频点对点通信实验以及无线射频防碰撞通信实验；所述LIN总线收发器用于完成基于扩展板STC12系列单片机控制的LIN总线通信实验；所述8位并口通信接口用于完成基于主板STC89系列单片机控制的并行通信实验。

进一步，所述主板底层朝上叠装在顶层朝上的扩展板之上，两者通过64芯PC104接插件自堆栈式可靠连接。

进一步，所述图形点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板之上，两者通过20芯单排插针、插座可靠连接；所述字符点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板上，两者通过16芯单排插针、插座可靠连接。

进一步，所述扩展板的+5V直流电源插座、主板的+5V直流电源插座均能够插接+5V/1A直流电源适配器，从而为实验仪供电。

进一步，所述+3V减速直流电机固定在顶层朝上的扩展板的一侧下部，通过2芯引线及插头连接到扩展板的2芯插座上；所述+5V步进电机固定在顶层朝上的扩展板另一侧下部，通过5芯引线及插头连接到扩展板的5芯插座上；所述无线射频收发器模块固定在顶层朝上的扩展板的上侧中部，通过14芯双排插头连接到扩展板的14芯插座上。

进一步，所述主板与扩展板互连的64芯PC104插接件传递的信号包括：主板的地址译码器对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；主板STC89系列单片机的对扩展板的独立CAN控制器进行控制的八位数据/地址总线复用信号、读写控制信号、地址锁存控制信号；并行ADC电路、并行DAC电路、独立CAN总线控制器输出给主板STC89系列单片机的中断请求信号；主板STC89系列单片机对串行ADC电路、串行DAC电路、SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；SPI接口无线射频收发电路输出给主板STC89系列单片机或CPLD芯片的状态信号；主板STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间双机通信的SPI接口信号；主板STC89系列单片机对扩展板的RS485收发器进行串行通信的接口信号；基于CPLD芯片实现的对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；基于CPLD芯片实现的对SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；基于CPLD芯片实现的带握手信号的8位并口通信接口信号；+5V电源线和地线。

进一步，所述扩展板还布置有多组短接器，其中，一组短接器可为并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路选择来自主板地址译码器的或来自CPLD芯片实现的地址译码信号；一组短接器可为SPI接口无线射频收发器电路选择来自主板STC89系列单片机实现或来自CPLD芯片实现的控制接口信号；一组短接器可为主板单片机STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间的双机通信选择SPI接口信号。

进一步，所述温度传感器接口电路由KTY84系列温度传感器、非平衡电桥和仪表放大器组成；所述串行ADC电路由一个集成可编程放大器和滤波器的∑-Δ转换型串行A/D转换器芯片组成，通过一组短接器可将非平衡电桥的输出电压连接到串行ADC电路的差端输入，或将仪表放大器输出电压连接到串行ADC电路的单端输入。

进一步，所述双霍尔开关传感器电路与+3V减速直流电机旋转轴上安装的码盘共同组成电机旋转位置检测器，用来产生电机往复正反转切换信号。

进一步，所述扩展板顶层四周边上，还布置有：测试仪与外界RS485通信接线端子、CAN总线通信接线端子、并行通信接线端子，RS232通信接线端子、外部中断请求接线端子；还布置有各种外设电路输入控制信号、输出状态信号的测试单排针；还布置有控制+3V减速直流电机停、慢、快转速的3档拨动开关。

本发明公开的一种单片机系统设计与开发实验仪的功能和技术效果具体体现在：

本发明可实现的51实验程序囊括了目前51单片机在通信、控制、测量方面应用的典型实验内容，例如：人机交互界面实现，点对点、点对多点无线通信，有线RS232和RS485通信，CAN总线通信，LIN总线通信，带握手信号的8位并口通信，结合扩展仪表放大器的A/D转换器温度测量与显示，集成仪表放大器的A/D转换器温度测量与显示，基于D/A转换器的波形发生器实现，微型直流电机正反转与调速，微型步进电机的调速，信号的标度变换算法实现，二-十进制转换算法的实现，LCD多级菜单与键盘交互算法的实现，通信协议的制定与实现，固态存储器存储协议的制定与查询算法的实现，数字PID控制器算法的实现。通过本实验仪的设计型和综合型实验程序开发，可以深入浅出地学习单片机原理与应用技术，不仅能提高单片机的编程能力，而且能用万用表测量、示波器观察各种外设电路的接口控制与输出状态信号，加深理解单片机的控制信号时序与外设输出状态信号，同时，加深理解CPLD芯片在单片机系统中发挥的独特作用，大幅度提高单片机系统设计与开发水平，锻炼创新思维能力，形成单片机系统工程应用的完整概念，而且许多设计模块稍加修改就可以移植到具体工程应用项目中，具有事半功倍的学习效果。本发明的实验仪适用于电子信息类各本科专业单片机课程的实验、实训教学，也可作为广大科技工作者学习单片机系统设计技术的理想开发板。

附图说明

图1为单片机系统设计与开发实验仪电路原理框图；

图2为单片机系统设计与开发实验仪电路模块架构框图；

图3为单片机系统设计与开发实验仪电路结构功能框图；

图4为单片机系统设计与开发实验仪实物示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步说明。

如图1-2所示，一种单片机系统设计与开发实验仪，包括主板、扩展板；所述主板中，STC89系列单片机与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、地址译码器、串行铁电存储器、CPLD芯片、ISP下载接口相连接；地址译码器与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、CPLD芯片相连接；CPLD芯片和JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座与STC89系列单片机、图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、ISP下载接口、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片、JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片均与主板的64芯PC104插接件相连接；所述主板的64芯PC104插接件与所述扩展板的64芯PC104插接件上、下堆栈式连接；所述扩展板中，扩展板的64芯PC104插接件分别与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、扩展板的+5V直流电源插座、独立CAN控制器、RS485总线收发器、STC12系列单片机相连接；所述+5V与+3.3V电平转换电路与无线射频模块SPI接口电路相连接；+3.3V电压调节器与无线射频模块SPI接口电路相连接；所述+3.3V电压调节器与+5V直流电源插座相连接，所述扩展板的+5V直流电源插座与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、+5V/±5V隔离DC-DC电路、独立CAN控制器、RS485总线收发器、LIN总线收发器、H桥可逆PWM驱动电路、STC12系列单片机、双霍尔开关传感器、步进电机达林顿驱动电路、+5V步进电机相连接；所述+5V/±5V隔离DC-DC电路分别与温度传感器及接口电路、串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路、串行DAC电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；所述温度传感器及接口电路通过短接器与串行ADC电路相连接，所述温度传感器及接口电路通过短接器与并行ADC电路相连接；所述STC12系列单片机分别与ISP下载接口、3档拨动开关、H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路、双霍尔开关传感器、+5V步进电机达林顿驱动电路、LIN总线收发器相连接；所述+5V步进电机达林顿驱动电路和+5V步进电机相连接；+3V减速直流电机分别与H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；

所述图形点阵LCD模块用于多级汉字菜单显示；所述字符点阵LCD模块用于字符串显示；所述主板STC89系列单片机用于采集、处理、存储实验数据；所述温度传感器及接口电路连接串行ADC电路或并行ADC电路，在STC89系列单片机控制下用于室温采集实验；所述扩展板STC12系列单片机是电机控制专用微控制器，一方面用来控制H桥可逆PWM驱动电路，实现+3V减速直流电机的调速实验，另一方面用于控制步进电机达林顿驱动电路，实现+5V步进电机调速实验；所述RS485总线收发器完成基于主板STC89系列单片机控制的RS485总线通信实验；所述独立CAN控制器用于完成基于主板STC89系列单片机控制的CAN总线通信实验；所述主板的ISP下载接口除了完成主板STC89系列单片机在系统编程下载实验代码外，还用于完成RS232接口通信实验；所述无线射频模块SPI接口电路用于完成基于主板STC89系列单片机或CPLD芯片控制的无线射频点对点通信实验以及无线射频防碰撞通信实验；所述LIN总线收发器用于完成基于扩展板STC12系列单片机控制的LIN总线通信实验；所述8位并口通信接口用于完成基于主板STC89系列单片机控制的并行通信实验。

所述主板底层朝上叠装在顶层朝上的扩展板之上，两者通过64芯PC104接插件自堆栈式可靠连接。所述图形点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板之上，两者通过20芯单排插针、插座可靠连接；所述字符点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板上，两者通过16芯单排插针、插座可靠连接。所述扩展板的+5V直流电源插座、主板的+5V直流电源插座均能够插接+5V/1A直流电源适配器，从而为实验仪供电。所述+3V减速直流电机固定在顶层朝上的扩展板的一侧下部，通过2芯引线及插头连接到扩展板的2芯插座上；所述+5V步进电机固定在顶层朝上的扩展板另一侧下部，通过5芯引线及插头连接到扩展板的5芯插座上；所述无线射频收发器模块固定在顶层朝上的扩展板的上侧中部，通过14芯双排插头连接到扩展板的14芯插座上。

所述主板与扩展板互连的64芯PC104插接件传递的信号包含：主板的地址译码器对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；主板STC89系列单片机的对扩展板的独立CAN控制器进行控制的八位数据/地址总线复用信号、读写控制信号、地址锁存控制信号；并行ADC电路、并行DAC电路、独立CAN总线控制器输出给主板STC89系列单片机的中断请求信号；主板STC89系列单片机对串行ADC电路、串行DAC电路、SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；SPI接口无线射频收发电路输出给主板STC89系列单片机的状态信号；主板STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间双机通信的SPI接口信号；主板STC89系列单片机对扩展板的RS485收发器进行串行通信的接口信号；基于CPLD芯片实现的对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；基于CPLD芯片实现的对SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；基于CPLD芯片实现的带握手信号的8位并口通信接口信号；+5V电源线和地线。

所述扩展板还布置有多组短接器，其中，一组短接器可为并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路选择来自主板地址译码器的或来自CPLD芯片实现的地址译码信号；一组短接器可为SPI接口无线射频收发器电路选择来自主板STC89系列单片机实现或来自CPLD芯片实现的控制接口信号；一组短接器可为主板单片机STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间的双机通信选择SPI接口信号。

所述温度传感器接口电路由KTY84系列温度传感器、非平衡电桥和仪表放大器组成；所述串行ADC电路由一个集成可编程放大器和滤波器的∑-Δ转换型串行A/D转换器芯片组成，通过一组短接器可将非平衡电桥的输出电压连接到串行ADC电路的差端输入，或将仪表放大器输出电压连接到串行ADC电路的单端输入。所述双霍尔开关传感器电路与+3V减速直流电机旋转轴上安装的码盘共同组成电机旋转位置检测器，用来产生+3V减速直流电机往复正反转切换信号。

所述扩展板顶层四周边上，还布置有：测试仪与外界RS485通信接线端子、CAN总线通信接线端子、并行通信接线端子，RS232通信接线端子、外部中断请求接线端子；还布置有各种外设电路输入控制信号、输出状态信号的测试单排针；还布置有控制+3V减速直流电机停、慢、快转速的3档拨动开关。

参阅图3，主板单片机STC89控制图型点阵LCD模块可显示汉字多级菜单，由于LCD一屏显示的内容有限，需要利用键盘来选择多级菜单命令控制多屏切换显示，这就需要开发一种LCD多级菜单与键盘交互算法。本发明涉及的键盘电路只有4个独立键盘，不足以提供所有0～9以及小数点等数字键盘的输入功能，为此，本发明提出了一种基于3维状态转移表的LCD多级菜单与键盘交互设计方法，3维状态转移表包括2维状态转移表和第3维数字计数器，4个键盘定义成”“↑”键，“↓”键，键，“←”键，作为2维状态转移表的4行，LCD的多屏显示根据实际应用需要设定，所有屏数作为2维状态转移表的所有列，4个按键中任一个有效按键，产生显示屏切换，定义成状态转移的屏号，把上电初始化显示的主菜单屏定义为初始化屏号，赋值为0，每个按键产生的显示屏切换，人为编上有效屏号，从1开始顺序编号，赋予一个唯一的屏号，每个按键产生的无效显示屏切换，统一编写为无效屏号0FFH，把2维状态转移表每行与每列交叉点的表项值，根据具体应用设计，填写上有效屏号或无效屏号，每当有键盘按下，程序识别按键名后，把键名作为2维状态转移表的行数，把当前屏号寄存器中存放的现态屏号作为2维状态转移表的列数，读取行与列交叉点的表项值，作为下一个状态转移的屏号，写入当前屏号寄存器，同时显示屏更新标志清为0，将主程序根据当前屏号寄存器的值，调用LCD显示屏子程序，完成LCD屏幕切换显示。

一般来说，LCD显示屏子程序开头，需要执行LCD清屏命令，把原本LCD屏幕的内容全部清除干净，确保新的屏幕没有污点显示，但是，有些LCD显示屏需要周期性调用，刷新显示变化的数字，若数字显示先清屏再更新，就会带来屏幕闪烁感，为了防止屏幕闪烁感，在LCD显示屏子程序入口，判断显示屏更新标志是否为0，若为0，就执行一次LCD清屏命令，然后就将显示屏更新标志置1，再执行LCD显示屏画面显示程序，下一次调用LCD显示屏子程序时，由于屏号没有变化，判断显示屏更新标志就为1了，不执行LCD清屏命令。

数字串输入功能是在2维状态转移表的基础上，把数字串的每一位数字符输入看作一个屏号，在该屏号下，调用第3维数字计数器连续增或减产生所需输入的数字符，实现非数字键盘完成数字输入的功能，具体实现方法如下：把数字串输入设计成一个输入屏幕窗口，事先确定输入数字串长度为固定，每位数字符的输入以该数字符输入位置的光标反显作为标志，假设输入数字串长度为L，则数字串每位输入对应一个有效屏号，每输入完一位数字，光标反显位置向右移一位，对应另一个有效屏号，因此，输入L个数字串，需要状态转移切换L个屏号。利用4个键盘输入L个数字串的交互算法是：首先为L个数字串的每一位输入安排一个数字计数器，数字计数器的进制基数根据具体应用来确定，可以是十进制、十六进制等，在数字符输入位置的光标反显处，按“↑”键或“↓”键启动一个计数器，循环增1或减1计数，把当前计数值送到数字符输入位置LCD反显，操作员看到所需要的数字显示后，按键(确定键)，程序就把数字符输入位置反显的数字作为键盘输入数字符读入内存缓冲单元，再经过数据转换处理，转换为数据字节的一部分存入指定内存缓冲单元，完成1位数据符的输入，同时，键使光标反显位置向右移一位，等待操作员按“↑”键或“↓”键，输入下一位数字符。“←”键可以定义为光标反显位置向左移一位，重新输入上一位。当L个数字串全部输入完毕后，再按键，弹出一个对话屏，问”输入是否保存“，光标反显位置显示“否”，等待操作员按“↑”键或“↓”键，切换为“是”，若操作员看到输入的数字串正确，在光标反显位置显示“是”时，按键，就把输入L个数字串转换为若干数据字节从内存缓冲区读入有效的数据存储单元保存，若操作员看到输入的数字串不正确，则不按键，再按“↑”键或“↓”键，切换为“否”，再按键，屏号再次切换到数字串输入初始屏幕，即光标反显位置在数字串最高位上。

以工程应用背景为设计素材，以单片机典型接口技术为设计结构，采用单片机系统设计方法，设计了基于键盘与LCD显示屏的人机接口电路，实现仪表面板的LCD多级菜单；设计了基于74HC138高速CMOS译码器器件与基于CPLD芯片的地址译码器电路，实现单片机对相关扩展外设的地址译码；设计了基于KTY84系列温度传感器的放大器调理电路、并行A/D转换器和串行A/D转换器电路，实现数模转换、标度变换、数制转换、室温测量值LCD显示屏显示、温度值长期存储与查询功能；设计了基于KTY84系列温度传感器的非平衡电桥和一个集成可编程放大器和滤波器的∑-Δ转换型串行A/D转换器电路，实现无额外放大器调理电路的A/D转换器内部放大器调理的数模转换、标度变换、数制转换、室温测量值LCD显示屏显示、温度值长期存储与查询等功能；设计了基于单片机的+3V减速直流电机H桥MOSFET管可逆PWM调速系统电路，实现+3V减速直流电机调速控制器，模拟雨刮器电机的调速；设计了LIN总线收发器，实现两台实验仪的基于+3V减速直流电机调速控制器的LIN总线主从站通信，模拟雨刮器双电机同步左右摇摆运动轨迹；设计了基于单片机的+5V步进电机驱动电路，实现步进电机的间断旋转、连续旋转以及调速；设计了主板STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间双机通信的SPI接口电路，可把主板仪表面板上设置的直流电机快、慢速度档命令发送给扩展板的+3V减速直流电机调速控制器，实现电机的快、慢档调速，或者扩展板STC12系列单片机把检测到的3挡位开关设定的停、慢、快速度3档状态传送给主板仪表面板的LCD显示屏上显示；可把主板仪表面板上设置的步进电机转动角度命令、转动频率命令发送给扩展板的STC12系列单片机，实现步进电机的间断旋转、连续旋转以及调速；设计了基于单片机控制的无线射频收发器接口电路，利用仪表面板设置无线节点的ID号(标识符)，实现一个实验仪与其他实验仪之间的近距离点对点或点对多点无线数据通信，可在发送实验仪的LCD显示屏上输入发送数据，接收实验仪的LCD显示屏上显示接收数据；设计了基于独立CAN控制器的CAN总线节点电路，利用仪表面板设置CAN节点的ID号(标识符)，实现一个试验仪与其他实验仪之间点对点或点对多点CAN总线有线数据通信，可在发送实验仪的LCD显示屏上输入发送数据，接收实验仪的LCD显示屏上显示接收数据；设计了RS485总线节点电路，利用仪表面板设置RS485节点的地址号，实现一个实验仪与其他实验仪之间点对点或点对多点RS485总线有线数据通信，可在发送实验仪的LCD显示屏上输入发送数据，接收实验仪的LCD显示屏上显示接收数据；设计了RS232接口电路，利用仪表面板设置发送与接收数据显示界面，实现实验仪其他实验仪之间点对点RS232接口有线数据通信，可在发送实验仪的LCD显示屏上输入发送数据，接收实验仪的LCD显示屏上显示接收数据；设计了基于CPLD带握手信号的8位并口通信接口电路，实现实验仪与实验仪之间的8位数据并行通信。设计了基于并行DAC的波形发生器电路，实现锯齿波、三角波、正弦波的输出，并且波形幅值可编程调节；设计了基于串行DAC的信号发生器电路，实现锯齿波、三角波、正弦波的输出；设计了基于CPLD实现的无线射频收发器接口电路，利用仪表面板设置无线节点的地址号，实现一个实验仪与其他实验仪之间的近距离点对点或点对多点无线数据通信，可在发送实验仪的LCD显示屏上输入发送数据，接收实验仪的LCD显示屏上显示接收数据。单片机系统设计与开发实验仪电路结构框图如图1所示。

本发明可开发的单片机系统实验内容如下：

(1)图形点阵LCD显示实验：基于键盘与图形点阵LCD显示屏的多级汉字菜单显示。

(2)字符点阵LCD显示实验：字符点阵LCD显示屏的字符串显示。

(3)看门狗实验：看门狗电路的“踢狗”与“不踢狗”实验。

(4)铁电存储器实验：通过图形点阵LCD显示屏输入铁电存储器4位十六进制首地址，然后输入最少1个存储单元、最多8个存储单元的十六进制数据，可将该1～8个2位十六进制数据写入数据存储器首址地址起的1～8存储单元中，又可通过图形点阵LCD显示屏输入4位十六进制存储器地址，读出该数据存储器首址单元开始的8个存储单元的十六进制数据。

(5)数据存储器实验：通过图形点阵LCD显示屏输入数据存储器4位十六进制首地址，然后输入最少1个存储单元、最多8个存储单元的2位十六进制数据，可将该1～8个2位十六进制数据写入数据存储器首址地址起的1～8存储单元中，又可通过图形点阵LCD显示屏输入4位十六进制存储器地址，读出该数据存储器首址单元开始的8个存储单元的十六进制数据。

(6)室温采集实验：扩展板上的KTY84系列温度传感器组成非平衡电桥通过仪表放大器调理输出室温测量信号，主板单片机STC89控制扩展板上的并行A/D转换器进行采集、处理后，把室温测量值以十进制形式显示在图形点阵LCD屏幕上或者字符点阵LCD屏幕上。

(7)传感器信号无调理放大器的采集实验：扩展板上的KTY84系列温度传感器组成非平衡电桥通过仪表放大器调理输出，连接到串行A/D转换器的单端输入端，主板STC89系列单片机控制串行A/D转换器进行采集、A/D转换结果处理，把室温测量值以十进制形式显示在图形点阵LCD屏幕上或者字符点阵LCD屏幕上。然后，通过短接器把KTY84系列温度传感器组成的非平衡电桥输出电压跳过仪表放大器，直接连接到串行A/D转换器的差端输入，利用主板STC89系列单片机控制串行A/D转换器内部集成可编程放大器进行适当放大倍数调理、采集、A/D转换结果处理，把室温测量值以十进制形式显示在图形点阵LCD屏幕上或者字符点阵LCD屏幕上。

(8)+3V减速直流电机调速实验：扩展板STC12系列单片机是电机控制专用微控制器，集成有PWM单元，用来控制H桥可逆PWM驱动电路，实现+3V减速直流电机的正反转控制、软启动、调速、能耗制动和回馈制动，并可通过双机通信SPI接口，将主板STC89系列单片机在仪表面板上设置的停、慢、快3档速度命令发送给扩展板STC12系列单片机，或者扩展板STC12系列单片机检测3档拨动开关设定的停、慢、快转速3档状态传送给主板仪表面板的LCD显示屏上显示。

(9)+5V步进电机调速实验：利用扩展板STC12系列单片机控制步进电机达林顿驱动电路，驱动+5V步进电机进行间断旋转、连续旋转以及调速，可把主板仪表面板上设置的步进电机转动角度命令、转动频率命令发送给扩展板STC12系列单片机，控制步进电机的间断旋转、连续旋转以及调速。

(10)通信SPI接口双机通信实验：主板STC89系列单片机作为主控制器，扩展板STC12系列单片机作为从控制器，通过制定双机通信协议，实现主板STC89系列单片机单片机与扩展板STC12系列单片机的双向通信。

(11)RS485总线通信实验：将2台或若干台(小于400台)实验仪扩展板上的2芯RS485接口接线端子用2芯双绞线互连，每台实验仪的图形点阵LCD显示屏上显示一个RS485通信命令菜单，有发送命令子菜单、接收命令子菜单、本机通信地址设置子菜单，发送命令子菜单显示发送数据输入窗口，完成限定数据帧输入与发送；接收命令子菜单显示接收数据输入窗口，完成其他试验仪发给本试验仪的串行数据显示；本机通信地址设置子菜单，完成本实验仪在RS485网络中唯一8位通信地址的显示与修改，8位通信地址保存在铁电存储器的专用单元中，每次执行本机通信地址设置子菜单调出显示，若需要修改，再弹出8位通信地址即2位十六进制数据字节输入窗口，完成8位通信地址的修改与保存。1台执行发送数据命令，另一台或若干台执行接收数据命令。

(12)CAN总线通信实验：将2台或若干台(小于110台)实验仪扩展板上的2芯CAN接口接线端子用2芯双绞线互连，每台实验仪的图形点阵LCD显示屏上显示一个CAN通信命令菜单，有发送命令子菜单、接收命令子菜单、本机标识码设置子菜单、验收屏蔽码设置子菜单，发送命令子菜单显示发送数据输入窗口，完成限定数据帧输入与发送；接收命令子菜单显示接收数据输入窗口，完成其他试验仪发给本试验仪的串行数据显示；本机标识码设置子菜单完成本实验仪在CAN网络中唯一29位标识码的显示与修改，29位通信地址保存在铁电存储器的特定存储单元中，每次执行本机标识码设置子菜单时读出显示，若需要修改，再弹出29位通信地址即4字节十六进制数据输入窗口，完成29位标识码的修改与保存；验收屏蔽寄存器设置子菜单完成本实验仪4字节接收屏蔽码的显示与修改，4字节接收屏蔽码保存在铁电存储器的特定存储单元中，每次执行验收屏蔽码设置子菜单时读出显示，若需要修改，再弹出32位接收屏蔽码即4字节十六进制数据输入窗口，完成32位接收屏蔽码的修改与保存。当1台实验仪执行发送数据命令，另一台或若干台实验仪执行接收数据命令时，若作为接收节点的实验仪4字节接收屏蔽码均设置为0，则实现点对点通信；若4字节接收屏蔽码均设置为FFH，实现广播通信。

(13)RS232接口通信实验：将2台实验仪主板板上的ISP下载接口9芯D型插座用3芯通信电缆互连，每台实验仪的图形点阵LCD显示屏上显示一个RS232通信命令菜单，有发送命令子菜单、接收命令子菜单，发送命令子菜单显示发送数据输入窗口，完成限定数据帧输入与发送；接收命令子菜单显示接收数据输入窗口，1台实验仪执行发送数据命令，另一台实验仪执行接收数据命令，完成2台试验仪串行数据通信。

(14)无线射频点对点通信实验：2台实验仪同时上电工作，每台实验仪LCD显示屏上显示无线通信命令菜单，有发送命令子菜单、接收命令子菜单、本机通信地址设置子菜单，发送命令子菜单显示发送数据输入窗口，完成限定数据帧输入与发送；接收命令子菜单显示接收数据输入窗口，完成其他试验仪发给本试验仪的串行数据显示；本机通信地址设置子菜单，完成本实验仪在无线网络中唯一8位通信地址的显示与修改，8位通信地址保存在铁电存储器的专用单元中，每次执行本机通信地址设置子菜单调出显示，若需要修改，再弹出8位通信地址即2位十六进制数据字节输入窗口，完成8位通信地址的修改与保存。1台实验仪执行发送数据命令，另一台实验仪执行接收数据命令，完成无线射频点对点通信。

(15)无线射频防碰撞通信实验：3台实验仪同时上电工作，其中2台实行发送数据命令，并且同一时间向第3台发送数据，第3台执行接收数据命令，第3台能分别收到两个实验仪发送来的数据，完成防碰撞通信实验。

(16)8位并口通信实验：将2台实验仪扩展板上的8位并口通信接口D型15芯插座用11芯通信电缆互连，每台实验仪的图形点阵LCD显示屏上显示一个并通信命令菜单，有发送命令子菜单、接收命令子菜单，发送命令子菜单显示发送数据输入窗口，完成限定数据帧输入与发送；接收命令子菜单显示接收数据输入窗口，1台实验仪执行发送数据命令，另一台实验仪执行接收数据命令，完成2台试验仪并行数据通信。

(17)LIN总线通信实验：将2台实验仪扩展板上的2芯LIN接口接线端子用2芯双绞线互连，其中一个LIN总线收发器设置为主站，另一个LIN总线收发器设置为从站，通过2台+3V减速直流电机调速控制器的LIN总线通信，结合+3V减速直流电机调速实验，实现2台+3V减速直流电机的正反转同步摇摆控制。

虽然以上描述了本发明的一个具体实施方式，但本领域内的科技人员应当理解，这些实施实例可以做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，包括主板、扩展板；

所述主板中，STC89系列单片机与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、地址译码器、串行铁电存储器、CPLD(复杂可编程逻辑器件)芯片、ISP下载接口相连接；地址译码器与图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、CPLD芯片相连接；CPLD芯片和JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座与STC89系列单片机、图形点阵LCD模块、字符点阵LCD模块、数据存储器、4按键及接口电路、ISP下载接口、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片、JTAG接口相连接；主板的+5V直流电源插座、地址译码器、STC89系列单片机、CPLD芯片均与主板的64芯PC104插接件相连接；

所述主板的64芯PC104插接件与所述扩展板的64芯PC104插接件上、下堆栈式连接；

所述扩展板中，扩展板的64芯PC104插接件分别与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、扩展板的+5V直流电源插座、独立CAN控制器、RS485总线收发器、STC12系列单片机相连接；所述+5V与+3.3V电平转换电路与无线射频模块SPI接口电路相连接；+3.3V电压调节器与无线射频模块SPI接口电路相连接；所述+3.3V电压调节器与+5V直流电源插座相连接，所述扩展板的+5V直流电源插座与串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路，串行DAC电路、8位并口通信接口、+5V与+3.3V电平转换电路、+5V/±5V隔离DC-DC电路、独立CAN控制器、RS485总线收发器、LIN总线收发器、H桥可逆PWM驱动电路、STC12系列单片机、双霍尔开关传感器、步进电机达林顿驱动电路、+5V步进电机相连接；所述+5V/±5V隔离DC-DC电路分别与温度传感器及接口电路、串行ADC电路、并行ADC电路、并行DAC电路、串行DAC电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；所述温度传感器及接口电路通过短接器与串行ADC电路相连接，所述温度传感器及接口电路通过短接器与并行ADC电路相连接；所述STC12系列单片机分别与ISP下载接口、3档拨动开关、H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路、双霍尔开关传感器、+5V步进电机达林顿驱动电路、LIN总线收发器相连接；所述+5V步进电机达林顿驱动电路和+5V步进电机相连接；+3V减速直流电机分别与H桥可逆PWM驱动电路、+3V减速直流电机电压电流检测电路相连接；

所述图形点阵LCD模块用于多级汉字菜单显示；所述字符点阵LCD模块用于字符串显示；所述主板STC89系列单片机用于采集、处理、存储实验数据；所述温度传感器及接口电路连接串行ADC电路或并行ADC电路，在STC89系列单片机控制下用于室温采集实验；所述扩展板STC12系列单片机是电机控制专用微控制器，一方面用来控制H桥可逆PWM驱动电路，实现+3V减速直流电机的调速实验，另一方面用于控制步进电机达林顿驱动电路，实现+5V步进电机调速实验；所述RS485总线收发器完成基于主板STC89系列单片机控制的RS485总线通信实验；所述独立CAN控制器用于完成基于主板STC89系列单片机控制的CAN总线通信实验；所述主板的ISP下载接口除了完成主板STC89系列单片机在系统编程下载实验代码外，还用于完成RS232接口通信实验；所述无线射频模块SPI接口电路用于完成基于主板STC89系列单片机或CPLD芯片控制的无线射频点对点通信实验以及无线射频防碰撞通信实验；所述LIN总线收发器用于完成基于扩展板STC12系列单片机控制的LIN总线通信实验；所述8位并口通信接口用于完成基于主板STC89系列单片机控制的并行通信实验。

2.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述主板底层朝上叠装在顶层朝上的扩展板之上，两者通过64芯PC104接插件自堆栈式可靠连接。

3.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述图形点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板之上，两者通过20芯单排插针、插座可靠连接；所述字符点阵LCD模块叠装在底层朝上的主板上，两者通过16芯单排插针、插座可靠连接。

4.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述扩展板的+5V直流电源插座、主板的+5V直流电源插座均能够插接+5V/1A直流电源适配器，从而为实验仪供电。

5.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述+3V减速直流电机固定在顶层朝上的扩展板的一侧下部，通过2芯引线及插头连接到扩展板的2芯插座上；所述+5V步进电机固定在顶层朝上的扩展板另一侧下部，通过5芯引线及插头连接到扩展板的5芯插座上；所述无线射频收发器模块固定在顶层朝上的扩展板的上侧中部，通过14芯双排插头连接到扩展板的14芯插座上。

6.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，

所述主板与扩展板互连的64芯PC104插接件传递的信号包括：主板的地址译码器对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；主板STC89系列单片机的对扩展板的独立CAN控制器进行控制的八位数据/地址总线复用信号、读写控制信号、地址锁存控制信号；并行ADC电路、并行DAC电路、独立CAN总线控制器输出给主板STC89系列单片机的中断请求信号；主板STC89系列单片机对串行ADC电路、串行DAC电路、SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；SPI接口无线射频收发电路输出给主板STC89系列单片机或CPLD芯片的状态信号；主板STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间双机通信的SPI接口信号；主板STC89系列单片机对扩展板的RS485收发器进行串行通信的接口信号；基于CPLD芯片实现的对扩展板上并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路进行片选的地址译码信号；基于CPLD芯片实现的对SPI接口无线射频收发电路进行串行控制的接口信号；基于CPLD芯片实现的带握手信号的8位并口通信接口信号；+5V电源线和地线。

7.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述扩展板还布置有多组短接器，其中，一组短接器可为并行ADC电路、并行DAC电路以及相关接口电路选择来自主板地址译码器的或来自CPLD芯片实现的地址译码信号；一组短接器可为SPI接口无线射频收发器电路选择来自主板STC89系列单片机实现或来自CPLD芯片实现的控制接口信号；一组短接器可为主板单片机STC89系列单片机与扩展板STC12系列单片机之间的双机通信选择SPI接口信号。

8.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述温度传感器接口电路由KTY84系列温度传感器、非平衡电桥和仪表放大器组成；所述串行ADC电路由一个集成可编程放大器和滤波器的∑-Δ转换型串行A/D转换器芯片组成，通过一组短接器可将非平衡电桥的输出电压连接到串行ADC电路的差端输入，或将仪表放大器输出电压连接到串行ADC电路的单端输入。

9.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述双霍尔开关传感器电路与+3V减速直流电机旋转轴上安装的码盘共同组成电机旋转位置检测器，用来产生电机往复正反转切换信号。

10.如权利要求1所述的单片机系统设计与开发实验仪，其特征在于，所述扩展板顶层四周边上，还布置有：测试仪与外界RS485通信接线端子、CAN总线通信接线端子、并行通信接线端子，RS232通信接线端子、外部中断请求接线端子；还布置有各种外设电路输入控制信号、输出状态信号的测试单排针；还布置有控制+3V减速直流电机停、慢、快转速的3档拨动开关。