开放式单片机电气控制综合实验教学平台

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摘要：现有单片机实验装置不能为“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的实验教学理念提供支撑，为此研制了一套开放式单片机电气控制综合实验教学平台。该实验平台由核心实验电路板、通用实验箱和实验对象三个层次实验装置组合而成。核心实验电路板为实验空间的转移提供了较大的自由度，通用实验箱为实验内容的开放提供了良好的自主性，电气类测量与控制实验对象便于实现面向工程应用的设计性、系统性实验。批量用于实验教学的实践表明，该实验平台为提高学生工程应用能力和创新能力提供了有力的支撑。

关键词：开放式；单片机；电气控制；实验平台

作者简介：杨风开（1964-），男，江西九江人，华中科技大学电气学院，高级工程师；徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，华中科技大学电气学院，工程师。（湖北?武汉?430074）

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）27-0089-02

在单片机实验教学改革的过程中，确定了“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的开放式实验教学理念。空间上的开放，就是要让学生既可以在实验室做实验，也可以在寝室等其他地方做实验；内容上开放，就是要提供充分的实验条件，让学生能够自主设计实验内容。时间上的开放基本上属于实验室管理的范畴，空间和内容上的开放，则必须有一定的硬件条件支撑。[1]

基于开放式实验教学理念，开始寻求采购实验教学装置，结果没有找到合适的现成的实验教学装置。现有的单片机实验教学装置，普遍存在三方面的不足：一是实验装置体积较大，造价较高，不适合让学生带回寝室做实验，不能为实验空间的延伸、拓展提供支撑；二是装置上的电路连接基本固定，电路模块较少，不能满足自主设计实验内容的要求，不能为实验内容的开放提供必要的支撑；三是配套的电气测量与控制对象较少，不利于将实验教学与工程实际相结合。[2，3]

针对这一现状，决定自行研制一套开放式单片机电气控制综合实验平台，采用组合式架构，便于学生在寝室做实验，实现空间上的开放；提供充足的接口电路模块，并且可以按照自己设计的电路自行搭接控制信号，便于实验内容的开放；开发出较多的电气测量与控制实验对象，便于将实验教学和电气工程实际相结合，让学生能够设计出完整的基于单片机的电气测量和控制系统，形成系统性的概念，进一步拓展实验内容的开放性。

一、组合式实验教学平台架构

实验教学平台由三个层次实验装置组合而成，其组成架构如图1所示。第一个层次是核心实验电路板（简称核心板），不同核心板上配备不同的CPU，目前已经开发出MCS-51单片机核心板和TMS320LF2407型DSP核心板。第二个层次是通用接口电路实验箱，在实验箱上配备了较为齐全的接口电路模块。第三个层次是各种电气测量和控制实验对象。

通用接口电路实验箱为基本的配置，实验室每个实验台位配一套。核心实验板可以根据实验需要配插到通用实验箱上在实验室做实验，做不同的实验（MCS-51单片机实验或DSP实验），可以配插相应的核心板。核心板的数量远多于实验箱的数量，冗余核心板学生可以借回寝室或拿到其他实验室做实验。电气测量和控制对象有若干种，每种的台（套）数远少于实验箱的数量，学生可以根据需要选择不同的测量控制实验对象，与通用实验箱结合做实验。

二、核心实验板

核心板的基本设计理念是：既具有体积小、造价低、使用方便的特点，又能满足开放性、兼容性实验教学的需要。核心板的电路结构反映了设计理念。

1.核心板的特点

核心板的特点是体积小（印制电路板面积为100×100mm2）、造价较低，不需外接实验电源，连接到电脑的USB接口就可以做实验，便于学生借出实验室进行实验，从而实现实验室空间上的开放。核心板包括CPU及少量接口电路，可以独立完成一定数量的实验，也可以方便地与实验箱或实验对象连接扩展更多的实验。核心板可以提供散件供学生自行焊接安装，并可以根据学生需要有条件地发给学生。

2.MCS-51核心板结构

MCS-51核心实验板电路结构如图2所示，包括SST89E58RD型MCS-51系列单片机，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、A/D和D/A转换器件等。为减小印刷电路板面积，核心实验板上的数码管采用动态显示方法，A/D和D/A转换均选用串行接口器件。[4]

核心实验板可以采用USB接口自带的+5V电源工作，也可以利用通用实验箱上的+5V电源供电。MCS-51核心实验板上的外设接口电路，使用了单片机的P1口和P3口。P1口和P3口的各个引脚，可以用于控制核心板本身的外设器件，也可以通过核心板上的插针，连接到其他的外部控制电路，或者通过与通用实验箱连接的插座，用于对通用实验箱上电路模块的控制。改变核心板上拨码开关的位置，可以设定P1口和P3口各引脚用于核心板内部或外部。

全部I/O口各引脚分别接到一排插针上，可通过排线连接到其他应用电路；同时均连接到与通用实验箱连接的插座上，可用于跟实验箱上电路模块连接。

3.DSP核心板结构

DSP核心实验板电路结构如图3所示，包括TMS320LF2407型DSP，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、RAM和D/A转换器件等，其中有部分电路与MCS-51核心板相同。TMS320LF2407型DSP片上含有16路模拟输入的10位A/D转换电路，所以在DSP核心板上没有设计A/D转换电路。由于做DSP实验时，一般需要处理较多的数据，所以在DSP核心实验板上扩展了64kW的RAM存储器。[5]

USB接口的电源电压为5V，而TMS320LF2407型DSP工作电源电压为3.3V，为此图3中增加了一套电源转换电路，该电路同时用于产生CPU复位信号。此外，TMS320LF2407型DSP一般用JTAG接口进行硬件仿真调试和在线编程，所以在图3中增加了一套USB-JTAG信号转换电路模块。