CN202394430U

CN202394430U - 一种单片机实验开发板

Info

Publication number: CN202394430U
Application number: CN2012200011498U
Authority: CN
Inventors: 王新勇; 周鲁英; 张晓红; 孙炎增; 黄涛; 马群; 陈国涛; 王冠军; 王自振
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2022-01-04

Abstract

本实用新型涉及一种单片机实验开发板，包括MCU及相关外设所构成的基础实验部分，所述单片机开发板还包括提高实验部分，所述提高实验部分包括：与所述MCU输入输出连接的ISD4004语音模块；与所述MCU输入输出连接的CH452矩阵按键和数码管驱动模块；与所述MCU通讯连接的CH376U盘/SD卡读写模块；与所述MCU通讯连接的CAN总线模块；与所述MCU输入连接的可数控调压的数控电压源模块；所述MCU输入采样连接的LM2903比较器模块。不仅可以用于51单片机的教学实验和个人学习，还可以完成一些功能较强的设计和开发，弥补了当前单片机实验开发系统功能单调、资源少、总线接口少无法满足复杂实验需求、只适合入门初级学习而不适合进一步深入研究开发的不足。

Description

一种单片机实验开发板

技术领域

本实用新型涉及一种单片机实验开发板，主要是基于ADUC847单片机的低功耗、多功能、多应用范围的实验开发板。

背景技术

单片机技术自发展以来已走过了近20年的发展路程。单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。小到遥控电子玩具，大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子。针对单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用，为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单片机这门技术，于是各种各样的单片机开发板也应运而生。之前我们使用实验箱来进行单片机的教学和开发不仅成本高昂、仪器笨重，而且集成资源少功能单一，不利于基于单片机的复杂控制和关于单片机的深入学习开发。目前市场上流行的学习开发板以51单片机为主流，种类繁多，但功能类似。都普遍存在着集成硬件资源少，实现功能有限，只适合单片机的初级入门学习而不足以支持基于单片机的更深入的开发和使用等缺陷。因此，一款资源丰富。功能强大的单片机实验开发板是非常具有市场应用前景的。

随着微处理器(MPU)技术和超大规模集成电路技术的快速发展以及单片机技术应用领域的不断拓广和深入，传统的51单片机开发板外部集成资源匮乏，已渐渐不能满足日常的教学、生产、学习、开发等各方面的需求。目前，单片机的发展正朝着更高速、更大容量、更高精度、更丰富内部资源、更方便与外部通信、更低功耗等方面快速挺进。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一款高速度、低功耗、高精度、内部资源丰富、外设齐全、各种通信接口完备的集商用、民用及教学科研于一体的高性能多功能开发板，以弥补当前市场上存在的单片机开发板的不足。

基于上述目的，本实用新型的方案是：一种单片机实验开发板，包括MCU及相关外设所构成的基础实验部分，所述单片机开发板还包括提高实验部分，所述提高实验部分包括：与所述MCU输入输出连接的ISD4004语音模块；与所述MCU输入输出连接的CH452矩阵按键和数码管驱动模块；与所述MCU通讯连接的CH376U盘/SD卡读写模块；与所述MCU通讯连接的CAN总线模块；与所述MCU输入连接的可数控调压的数控电压源模块；所述MCU输入采样连接的LM2903比较器模块。

所述MCU为ADUC847。

所述LM2903比较器模块输入端还设有AD620仪表放大模块。

所述MCU还包括总线接口部分。

所述总线接口部分包括SPI总线接口、CAN总线接口、I²C总线接口、ISP下载接口和串口通信接口。

所述基础实验部分的相关外设包括流水灯、蜂鸣器、继电器、液晶显示、电机驱动模块、红外接收模块、温度传感器和时钟模块。

本实用新型采用美国模拟器件公司(ADI)发布的MicroConverter数据采集与处理系统级芯片(SoC)——ADUC847作为开发板的核心控制芯片。除了常用单片机内部集成的定时/计数功能、各种中断功能、UART串口收发功能等资源外，ADUC847内部还带有24位Σ-Δ D/A转换器(ADC)和10个单端输入通道(或5个完全差分输入通道)多路复用器、片上可编程PLL（12.58MHz最大值）和12位分辨率的D/A转换器等丰富的片上资源。其中ADUC847内部的24位Σ-Δ A/D换器可以完成模拟信号的高精度数据采集与转换，12位分辨率的D/A转换器又可以几乎无失真的把数字信号再转化为模拟信号从而实现数字和模拟信号之间的随时转换。

本实用新型的基于ADUC847的实验开发板除了可以实现基础的单片机入门实验和基于ADUC847内部资源的应用外，还包含了更深层次的硬件开发功能。其中，外部的矩阵按键和数码管模块分别是由与单片机串行连接的CH452芯片负责扫描和驱动；语音模块采用ISD4004系列语音芯片，单片可录音8-16分钟，可反复录音约达十万次；U盘/SD卡读写模块通过单片机控制文件管理芯片CH376对其进行读写和文件的管理等操作，其与单片机通过SPI方式进行通信连接；数控电压源模块采用LM317为调压芯片，通过单片机编程来调节数字电位器接入电阻值，从而实现电压源的数控调压。除此之外，本实用新型还预留了丰富的各种总线和通信接口，如：I²C总线、SPI总线、CAN总线、串口通讯接口、SP/2接口等等一系列的总线和通信接口。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是语音模块电路原理图；

图3是U盘/SD卡存储电路原理图；

图4是CAN总线电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步介绍。

如图1所示为本实用新型基于ADUC847单片机的实验开发板的结构示意图。由图可知，本实用新型的单片机实验开发板分为基础实验部分、提高实验部分、以及总线接口部分等三大部分。每个部分又包含各种独立的模块，在核心控制单元ADUC847的操作控制下或独立或互相组合或与ADUC847内部资源相结合以完成各种复杂功能实验。

其中基础实验部分硬件电路包括流水灯、蜂鸣器、继电器、液晶显示、电机控制、红外接收、温度传感器DS18B20、时钟芯片DS1302等。流水灯采用高亮度LED发光二极管，蜂鸣器采用有源蜂鸣器，液晶显示电路留有12864和1602双显示接口，电机控制电路采用达林顿结构的ULN2003驱动芯片驱动，红外接收电路采用HS0038实现红外接收和解码，温度传感器电路采用与MCU一线式通信的DS18b20芯片，时钟芯片DS1302采用SPI三线接口方式与MCU进行通信。

其中，提高实验部分硬件电路包括CH452矩阵按键和数码管显示模块、U盘/SD卡读写模块、语音模块、数控电压源模块、仪表放大器模块和比较器模块等。其中，数码管驱动和矩阵按键扫描模块，由以CH452芯片为核心的数码管驱动电路和矩阵按键扫描电路构成；U盘/SD卡读写模块由文件管理控制芯片CH376的U盘/SD卡控制电路构成；语音模块由3V工作电源的ISD4004系列语音芯片电路构成；数控电压源模块电路采用LM317调压电路，以数字电位器X9C103为可调电阻输入，实现数字控制调压；仪表放大器模块电路采用单片精密仪器放大器AD620的放大电路；比较器模块电路采用LM2903的比较电路。

进一步的，CH452芯片在5V电源下同时使用键盘扫描和数码管显示功能，所以数码管与键盘连接处加二极管隔离。

另外，该实验开发板中由+5V和+3V俩种供电系统。

本实用新型的语音模块电路，采用语音芯片ISD4004作为核心部件。语音模块在日常生活中有着广泛的应用，如报站器、报警器、脑中、学习机、智能家居以及各种自动控制装置等等。语音芯片录音电路相比于固体录音电路具有量化噪声和“金属噪声”小的优点。操作方便简单。

语音模块电路原理图如图2所示，本实用新型的语音模块选择的语音芯片为ISD4004，该芯片工作电压3V，单片录放时间8至16分钟，音质好。采用CMOS技术，内含振荡器，放混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。芯片设计所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行接口送入。芯片采用多电平直接模拟量技术，每个采样值直接存储在芯片内闪烁存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐，避免了一般固体电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属噪声”。采样频率可在4.0、5.3、6.4、8.0KHZ，频率越低录放时间越长，而音质择有所下降，片内信息存于闪烁存储器中，可在断电情况下保存100年，反复录音10万次。ISD4004同SPI总线与微处理器进行通讯功能。

U盘存储电路，该电路采用SPI总线接口控制U盘的存储方式，这种电路的结构简单。SPI是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，这是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯集成了这种通讯协议。

U盘存储电路原理图如图3所示，选用以CH376为核心元件的存储模块，CH376是文件管理控制芯片，常用于单片机系统读写 U 盘或者 SD 卡中的文件内容。CH376 支持 USB 设备方式和 USB 主机方式，并且内置了 USB 通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD 卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32 以及 FAT12 文件系统的管理固件，支持常用的 USB 存储设备（包括 U 盘/USB 硬盘/USB 闪存盘/USB读卡器）和SD卡（包括标准容量SD 卡和高容量HC-SD 卡以及协议兼容的MMC 卡和 TF 卡）。CH376 支持三种通讯接口：8 位并口、SPI 接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH376芯片，存取U 盘或者 SD 卡中的文件或者与计算机通讯。CH376支持1.5Mbps 低速和12Mbps全速 USB 通讯，支持USB-HOST主机接口和USB-DEVICE设备接口，支持动态切换主机方式与设备方式。支持USB 设备的控制传输、批量传输、中断传输。

CAN总线与一般的通讯总线相比，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。CAN就是总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络，所以本实用新型开发板特别设计了CAN总线通讯接口。

如图4所示为CAN总线硬件电路原理图，本硬件电路基于控制器 SJA1000 和82C250 收发器。首先，控制器SJA1000作为本接口电路中的控制芯片部分应用在本设计硬件电路中。对于SJA1000和单片机的连接，引脚AD0~ AD7是和ADUC847的输出输入脚P0.0～P0.7相接；SJA1000的片选信号脚/CS由微控制器的P2.0口控制（片选输入也可接到VSS 也可）。而在复位信号的处理，可以在看门狗外围电路的RST信号输出后再通过和非门电路的相连，很好的实现了电路的复位作用。而对于控制器的收发引脚TX0，TX1与RX0，RX1，在本系统中TX0、RX0可和收发器82C250的TXD、RXD接通。其次，82C250是CAN总线收发器，是CAN控制器SJA1000正常工作与CAN总线的接口器件，是对CAN总线以差分方式发送，TXD和RXD引脚分别发送经过驱动后的发送和接收信号。其引脚RS用于选择82C250的工作模式（高速、斜率或等待）。RS脚接地，82C250工作于高速方式，RS脚串接一个电阻R后再接地，若82C250处于CAN总线的网络终端，总线接口部分必须加一个120Ω的匹配电阻，以保护82C250免受过激的冲击忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低。另外，本设计中82C250的CANH和CANL引脚与地之间并联了两个30pf的小电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。

本实用新型在使用过程中，以流水灯、蜂鸣器、继电器、液晶显示、电机控制、红外接收、温度传感器DS18B20、时钟芯片DS1302等内容作为单片机学习的基础内容，通过基础部分的学习从而对单片机有初步的认识和了解，熟悉单片机的语言编写，程序下载，软件仿真等基本开发操作流程。在此基础上，本实用新型集成了CH452、CH376、ISD4004、LM2903、LM317、X9C103等芯片的硬件实验电路作为单片机学习开发的提高部分。U盘/SD卡读写、语音芯片、电压比较、数字电位器等都是目前教学和工业控制等领域经常用到的部分，通过提高部分内容的学习进一步了解单片机在日常生产生活中的广泛应用掌握复杂编程的能力。

本实用新型的优点如下：

1 采用ADUC847作为开发板的微处理器，其内部集成24位A/D、12位D/A转换器。不但大大节省成本，而且具有精度高、功耗低等优点。

2 资源丰富：不仅包含传统51开发板的资源，还新增语音模块、CH452矩阵键盘模块、U盘/SD卡存储模块、AD620小信号放大模块等资源。

3 便于与外设进行通讯：开发板留有SPI总线、CAN总线、I2C总线、SP/2等各种总线方便了开发板与外围设备的通讯。

4 应用范围广：此开发板，不仅适合初学者对单片机的入门学习，也适合广大技术工作者，以此开发板为基础，进行更深层次的学习开发。

由于在现有的单片机技术中，对于功能模块的构建，关键是选择功能芯片，选择功能芯片后，芯片与单片机（MCU）的连接关系是相对确定的（在芯片和MCU的说明书会有详细说明）。所以在本实施例中，许多功能模块仅指出了所采用的主要功能芯片而并没有具体描述电路结构，这对于本领域技术人员来讲，是公开充分的、可以实施的。

Claims

1.一种单片机实验开发板，包括MCU及相关外设所构成的基础实验部分，其特征在于，所述单片机开发板还包括提高实验部分，所述提高实验部分包括：与所述MCU输入输出连接的ISD4004语音模块；与所述MCU输入输出连接的CH452矩阵按键和数码管驱动模块；与所述MCU通讯连接的CH376U盘/SD卡读写模块；与所述MCU通讯连接的CAN总线模块；与所述MCU输入连接的可数控调压的数控电压源模块；所述MCU输入采样连接的LM2903比较器模块。

2.根据权利要求1所述的一种单片机实验开发板，其特征在于，所述MCU为ADUC847。

3.根据权利要求1所述的一种单片机实验开发板，其特征在于，所述LM2903比较器模块输入端还设有AD620仪表放大模块。

4.根据权利要求1所述的一种单片机实验开发板，其特征在于，所述单片机实验开发板还包括总线接口部分。

5.根据权利要求4所述的一种单片机实验开发板，其特征在于，所述总线接口部分包括SPI总线接口、CAN总线接口、I²C总线接口、ISP下载接口和串口通信接口。

6.根据权利要求1所述的一种单片机实验开发板，其特征在于，所述基础实验部分的相关外设包括流水灯、蜂鸣器、继电器、液晶显示、电机驱动模块、红外接收模块、温度传感器和时钟模块。