基于51单片机和cpld试验开发板的设计

1基于51单片机和CPLD试验开发板的设计摘要阐述了设计的各部分硬件的原理和用于试验的软件设计，特别给出了RTC的设计在实验板设计中的成功应用。单片机CPLD实验板将单片机与CPLD有机结合在一起，构建以51单片机为主，CPLD为辅的电路系统设计方案，既可以独立用于单片机实验或CPLD实验，也可以用于单片机和CPLD综合应用的实验。尤其，集成了具有ISP功能的CPLD和ISP功能的单片机，为初学者节约了昂贵的编程器成本。关键词：51单片机CPLDISP编程器实验板ABSTRACTInthispaper,itwaselaboratedthatthevariouspartsofthedesignprinciplesofhardwareandsoftwarefortestdesign,especiallygiventhedesignoftheRTCboardinthesuccessfulapplicationofdesign.TheexperimentofMCUandCPLDwillbecombinedwiththeMCU-CPLDboard,whichmainlytobuild51single-chip,CPLDsecondarycircuitystemdesign,andbothindependentexperimentsorCPLDforthesingle-chipexperimentscanalsobeMCUandCPLDforthecomprehensiveapplicationoftheexperiment.Inparticular,theintegratedfunctionoftheCPLDandMCUwithISPforbeginnerssavesthecostofexpensiveprogrammers.Keywords:51MCUCPLDISPprogrammerexperimentboard2目录引言……………………………………………………………………………31MiniB的目的及意义……………………………………………………32MiniB的硬件设计………………………………………………………42.1单片机与CPLD接口电路……………………………………………42.2USB及串行接口电路……………………………………………62.3最小系统及外围设备接口电路………………………………………82.3.1电源电路………………………………………………………82.3.2单片机P1口扩展电路………………………………………82.3.3显示接口电路…………………………………………………123MiniB的软件设计………………………………………………………123.1由AVR单片机ATmega8实现USB转串口的驱动设计和ISP（in-system-programming）的使用…………………………………………………123.2RTC设计实例（DS1302+LCD1602+复杂按键输入+多模式蜂鸣器发声+多任务轮循架构）…………………………………………………133.2.1任务解析及人性化设计要求………………………………………133.2.2多任务程序架构……………………………………………143.2.3任务调度………………………………………………………173.2.4任务设计………………………………………………………184调试………………………………………………………………………26致谢…………………………………………………………………27参考文献……………………………………………………………283引言单片机以其控制功能强体积小价格低耗电省可靠性高等特点，嵌入式应用很广[1]。而单片机学习门槛较高，涉及单片机软硬件知识，同时还要掌握几种软硬件工具平台，初学者要想快速入门单片机领域，往往需要一个好的硬件平台和大量易懂的实例。随着电子技术的不断发展，大规模集成电路的运用越来越普遍，用CPLD/FPGA来开发新产品是电子技术发展必然趋势。目前各高校逐步开设了单片机课程和可编程器件设计课程，而两门课程往往是独立开设，尤其是实验，而实验是检验理论正确与否的试金石，是学好两门课程的重要手段和方法。从而，切实满足初学者需要的实验板的开发成为了现实，而目前市场上针对初学者而开发的综合实验板价格高，体积大，操作烦琐，不易学习掌握。1MiniB的目的及意义现在市场上关于单片机和CPLD的试验开发板很多，总体上来说设计不专业，成本价格高，功能的单一，不能用于单片机和CPLD的综合应用试验，操作复杂利用率不高，但对于在校学生和电子爱好者这些消费者来说需求还很大。1.1目的为单片机和CPLD初学者提供一款经济实用型实验板,解决单片机和CPLD独立学习的问题,设计过程中个人知识能力的提升,以消费者的切实需要为原则，市场的需求明显。1.2意义此款单片机加CPLD实验板是总结单片机和CPLD学习的经验，站在初学者的角度上而开发，将单片机与CPLD有机结合在一起，构建以单片机为主，CPLD为辅的电路系统设计方案，既可以独立用于单片机实验或CPLD实验，也可以用于单片机和CPLD综合应用的实验，打造出袖珍单片机CPLD学习板。尤其，集成了具有ISP功能的CPLD和ISP功能的单片机，为初学者节约了昂贵的编程器成本。42MiniB的硬件设计系统结构如图2所示，该板采用单片机+CPLD结构，单片机为主，CPLD为辅。与单片机相连的模块有：P1口接发光二极管、蜂鸣器、继电器、AD/DA，P4口（STC单片机PLCC-44封装特有）接实时时钟DS1302、红外接收器，P3口接232电平转换电路和4个按键，单片机P0口和P2口以及P3.6、P3.7作为总线使用，CPLD直接驱动4位数码管，并给LCD提供使能信号，单片机和CPLD引脚分别有扩展接口，板上集成5V稳压电源，可以外接DC9V电源，也可以从计算机USB口直接取5V电源,JTAG接口完全符合IEEE1149.1标准，提供完全的边界扫描功能[2]。图2系统结构图2.1单片机与CPLD接口电路现在所有单片机厂家都有支持ISP的单片机，由于STC公司推出的STC系列单片机具有较强的功能和较高的性价比，本设计采用STC89C516RD+单片机作为系统的核心。单片机选STC89C5X，该系列单片机内部集成MAX810/STC810专用复位电路，内置看门狗，超强抗干扰，轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT），加密性强，STC89C52RC～STC89C58RD+系列与Intel8051管脚兼容，宽电压，5.5V～3.4V给复位信号后能正常工作，PQFP-44，PLCC-44封装有P4口。5STC89C51RC有3个定时器/计数器，1280字节大容量内部数据RAM，特别是该系列单片机支持ISP编程，开发无需高价的编程器，可实现远程升级，在ISP下载编程时可设置6或12时钟/机器周期模式，在6时钟模式，比普通51速度快一倍。CPLD有两种型号可选，ALTERA的EPM7064和ATMEL的ATF1504。器件的参数特性可参阅相关资料。单片机和CPLD都选择PLCC-44脚封装，占用PCB面积小，更换容易。图2.1(a)单片机与CPLD接口电路Mini51板的CPLD选择Altera公司的EPM7064。单片机与CPLD总线接口如图2.1(a)所示。数据总线既单片机P0口同CPLD一般IO口相连，完成数据和低8位地址传送；控制总线包括单片机读写控制信号Rd（P3.7）和Wr（P3.6），以及地址锁存信号ALE（AddressLockEnable）和高位地址线A15（P2.7）通过CPLD的全局信号引脚输入，包括全局时钟输入：INPUT/GCLK1，全局清零输入INPUT/GCLRn，全局使能输入INPUT/OE1，INPUT/OE2，这几个信号有专用连线与CPLD中每个宏单元相连，保证信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。单片机与CPLD之间可以根据需要，采用多种不同的接口方式，这里提出一种总线接口方案，采用三总线（数据、控制、地址）结构，如图2.1（b）所示，双向数据总线完成数据传输，单向控制总线和地址总线通过CPLD对外围对象控制。6图2.1（b）单片机与CPLD接口电路框图2.2USB及串行接口电路由AVR单片机ATmega8实现USB转串口且实现ISP（in-system-programming）功能的接口电路,如图2.2。USB接口使用方便，逐渐成为主流，计算机经典接口串口，并口慢慢消失，于是出现USB转串口，转并口，专用IC很多，一般都很昂贵，USB方案成为最佳选择。ATmega8是AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比最好的品种[2]。通过烧写USBASP固件和AVR-CDC固件分别实现两种功能：一是实现AVR和S51ISP编程，二是实现USB转串口。这里串口输出（图中为uRxD和uTxD）为TTL电平，可以直接接单片机。7图2.2由AVR单片机ATmega8实现USB转串口且实现ISP（in-system-programming）功能的接口电路ISP(in-system-programming)指系统在线可编程，是最先由Lattice公司提出的一种技术，是通过同步串行方式实现对同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置。ISP的实现比较简单，通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写，对于单片机来讲可以通过SPI或其他的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。采用ISP技术，ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，按照STC公司提供ISP下载线的接口标准，只要在单片机与PC机之间加一个电平转换电路，就可以实现程序的在线下载，免去了调试时由于频繁地拔插对芯片和电路板带来的损坏，这对于学生的实验教学而言显得尤为重要。由于ISP技术具有的上述特点，本设计采用了ISP技术，其转换电路如上图。82.3最小系统及外围设备接口电路2.3.1电源电路该板提供两种供电方式如图2.3.1，一种从接口输入DC9V电源，板上集成7805稳压IC，采用贴片封装，也可以从接口通过计算机USB接口取电。图中按钮为常闭开关，用来断开电源实现冷启动用。其中D3用来防止电源极性接反，R4为4.7欧电阻，这里起保护作用，防止实验板短路，损坏计算机USB接口。图2.3.1电源电路2.3.2单片机P1口扩展电路STC89C5X系列单片机有P4口，因此将P4.0～P4.2分配给DS1302，P4.3端口，用于连接温度传感器DS18B20电路如图2.3.2(a)所示。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1RES复位2I/O数据线3SCLK串行时钟时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字9符组方式通信DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302和处理器接口一般为3线制，RST（CE）复位脚，读写操作时同步时序同步用，I/O串行数据输入输出脚，SCLK串行时钟输入脚。图2.3.2(a)DS18B20和DS1302接口电路单片机P1口带锁存功能，编程容易。Mini51板上P1口被LED、蜂鸣器、继电器、串行AD/DA复用，除LED直接与P1相连外，其它都可以断开，只在需要用时连接。LED电路如图2.3.2（b）所示，低电平点亮，因为51系列单片机P1口靠内部上拉电阻输出高电平，所以一般不用P1口输出高电平驱动LED，外部限流电阻RP不宜太小，否则会影响到P1口状态，为以后P1口扩展留下隐患，如果用贴片发光二极管，RP甚至可以为4.7k。10图2.3.2（b）LED接口电路该板还设计