单片机一键多功能 基于单片机及FPGA的多功能实验教学设计体系　　1,引言

基于单片机及FPGA的多功能实验教学设计体系　　1 引言

2 平台设计 总体结构 实验教学平台总体结构如图1所示。采用底板 和核心板组成的模块化结构，底板通用，核心板为FPGA和单 片机双核心模式，主要包括三个部分。

1）FPGA/单片机实验核心板。选择ALTERA Cyclone II 或更高级，I/O口兼容3.3 V/5.0 V TTL电平的FPGA芯片作为 主控板，在EDA软件设计好的硬件电路可以通过下载电缆（AS 和JTAG下载接口）下载到核心板，实现对外围功能底板各外 设的控制；
单片机选择具有16 KB系统内可编程Flash的8位 AVR微控制器ATmega16，也可根据教材内容选型。

2）外围功能底板。设计多个外围设备作为核心板的控 制对象，包括10 M或100 M以太网接口、VGA接口、串口、PS/2 键鼠接口、红外接口、I2C接口、SD卡媒体接口、液晶屏接 口、A/D和D/A、七段码显示器、LED点阵显示器、矩阵键盘、拨码开关、555电路、RAM、蜂鸣器和步进电机驱动等。

3）BBII下载电缆。实现计算机上设计的硬件电路下载 到核心板的数据传输功能。

系统功能 实验平台的创新主要体现在它的综合教学功 能，既可作为数字电路的实验教学平台，又可用作单片机的 教学开发板。可开设的数字逻辑电路实验包括门电路、拨码 开关、编码器、译解码器、多路复用器、比较器、加法器、 移位寄存器、计数器、数字钟、A/D和D/A转换等。学生通过 QuartusII进行形象的数字电路设计并定义FPGA的引脚后， 将程序下载到FPGA，即可直观地观察实验结果，有利于提高 学生的学习兴趣。

进入单片机学习阶段，通过实验平台进行以单片机为核 心、电子电路为外围设备的应用实例实验，将单片机的知识 点和数字电路知识点贯通起来，有利于提高学生对课程知识 的综合运用能力。平台可进行单片机的最小系统实验，包括 发光二极管试验、流水灯、七段数码管静态与动态显示、单 片机定时器运用、单片机中断、矩阵键盘检测、温度显示、 红外收发、步进电机驱动等。此外，学生还可根据个人特点， 发挥主动性和创造性，依托实验平台设计以单片机为核心， 结合数字逻辑电路和外围设备的综合性控制实验，进一步锻 炼创新能力。

3 实验案例 数字逻辑电路综合实验 采用74LS90构成模10计数器，通过显示译码器74LS47和七段数码管组成的一位数码显示 电路，显示0～9的十进制计数过程。该实验综合运用了组合 逻辑电路和时序逻辑电路的基础知识，具有较强的代表性。

但在以往的实验教学中，该实验完成的情况一直不太理想。

究其原因，主要是实验涉及的电路模块和芯片较多，在传统 的数字电路实验箱上完成，学生需要在实验面板上大量连线。

这些导线纵横交错，容易出现错接、漏接，接触不良等问题， 学生课堂实验时间往往耗费在查线、查漏等非专业知识问题 上，实验效果受到极大影响。

本实验平台综合了仿真实验和硬件实验的优势，实验箱 提供了CP计数脉冲产生电路、七段共阴数码管显示电路等硬 件模块，在所设计电路的输入和输出两个关键位置给予学生 直观的操作和结果显示。而计数器、译码器等容易损耗的器 件芯片以及连线较为复杂的电路部分，则通过计算机仿真软 件来实现电路的设计和连接，充分体现了实验平台在数字电 路实验教学中的优越性。具体实验步骤如下。

在QuartusII中建立一个工程，把异步计数器74LS90 的QA输出端连接到CLKB输入端，然后把计数脉冲CP加到CLKA 输入端，同时SET9A、SET9B、CLRA和CLRB引脚接地，即可实 现十进制计数功能；
显示译码器74LS47把8421BCD码转换为 低电平有效的译码信号，驱动七段共阳数码管，显示0～9十 个数字。把74LS47的A、B、C、D输入引脚分别与74LS90的QA、 QB、QC、QD输出引脚相连，同时74LS47的LTN、RBIN、BIN引脚接高电平，OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG引脚分别与数码 管的A、B、C、D、E、F、G引脚相连，从而构成一位数码显 示电路[2]。

电路设计完成后，即可点击QuartusII菜单中的 “Processing|Start ComPilation”进行编译，并对FPGA中 的I/O相应的输入和输出管脚进行定义。单击QuartusII菜单 中的“Assignments|Pinplanner”，根据图2所示各引脚对 应关系完成电路输入和输出的定义。对定义好引脚的电路重 复一次编译工作，再通过ByteBlasterII下载电缆的Jtag口 下载编译好的sof文件到FPGA电路板中，即可开始实验操作 [3]。

单片机温度检测与显示实验 实验平台集成了具有I2C 接口的LM75A温度传感器，在-55～+125 ℃的温度范围内将 温度直接转换为数字信号，显示精度可达0.125 ℃。单片机 通过I2C总线直接读取其内部寄存器的数据，并通过I2C接口 对4个数据寄存器进行操作，以设置为不同的工作模式[4]。

平台设置了LM75A的SDA和SCL引脚与单片机的P1.3和P1.4引 脚硬件相连，七段数码管的片选引脚与4-16线译码器 74HC154的输出端硬件相连，当74HC154的选通端（OE1、OE2） 均为低电平时，可将地址输入端（ABCD）的二进制编码在译 码器对应的输出端以低电平有效的形式译出，则电路可通过 地址端（ABCD）实现对七段数码管的片选控制。

由于在实验平台中，数码管显示模块的A～G引脚与FPGA的相应引脚是硬件相连的，因此，本实验最小系统只要按图 3所示对FPGA的相应引脚进行分配，即可进行单片机程序的 烧写和实验。

4 小结 实验教学平台的成功研制和应用，克服了传统数字电路 实验箱和单片机实验箱只能单独开出本门课程实验，两门课 程教学无法实现有效关联的缺点，为电类各专业学生提供了 一个创新实验平台。目前，实验平台已在计算机学院嵌入式 专业开展示范应用，并逐步推广到自动化、电子信息工程等 多个专业。通过平台实训，学生的学习和动手能力大幅提高， 为后续专业课程的学习打下良好的基础。

近年来，在校学生积极参加科技竞赛活动，获得国家级 奖励50余项，省级奖励40余项。其中，示范应用的嵌入式专 业学生获得国家奖励15项，省级奖励26项。此外，通过实验 平台进行教学的专任教师，教学效果备受同行和学生的好评。

其中，2名教师获得省级优秀教师称号，5名教师获得市级优 秀教师称号。实验平台无论是在提升学生综合设计和创新能 力，还是在教师教学手段的改变和教学能力的提升方面，均 取得令人满意的效果。■ 参考文献 [1]熊正鹏.基于PLC与单片机双平台控制的开放式机电 教学实验设备的研制[J].实验室研究与探索，2004，23（12）：
40-41.[2]邓元庆，关宇，贾鹏.数字设计基础与应用[M].北 京：清华大学出版社，2005. [3]江国强.数字电路的Verilog HDL设计[M].北京：机 械工业出版社，2007. [4]苏变玲.基于Proteus的单片机仿真教学的研究[J]. 实验室研究与探索，2009，28（4）：75-78.