CN108520683A - 多内核共享单平台实验教学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多内核共享单平台实验教学装置，包括CPU内核板和资源平台主板两部分；CPU内核板为独立板件，资源平台主板设计有人机交互电路、A/D及D/A信号转换电路、RTC实时时钟电路、简易信号源电路、开放式I/O接口等，CPU开放所有I/O供用户使用，CPU内核板通过活动插座***资源平台主板构成一个整体。用户可以自行设计CPU内核板使用，实现***升级。设计3.3V‑5V宽电压范围，适应不同电源内核的CPU，设计了多显示器分时交错显示。

Description

多内核共享单平台实验教学装置
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，涉及一种多内核共享单平台实验教学装置。
背景技术
单片机体积小、功能强、使用简单，被广泛应用于智能家用电器、工业控制、智能仪表等领域。作为大中专电子、通信、自动化等专业核心课程，单片机、ARM嵌入式具有举足轻重的地位。在单片机、嵌入式课程教学中，为了提高教学效果，可以采用“虚实结合”的教学手段，先使用虚拟仿真软件完成原理设计与编程，以提高效率，再将程序下载到实物板件运行调试。随着技术的发展，市场上出现了一些高性能单片机逐渐取代传统51单片机,而32位ARM嵌入式处理器其性价比日益凸显，越来越受到欢迎。学校实验室硬件实验箱的设计是固定和不可升级的，当开设一门新型单片机或嵌入式处理器课程时，现有实验箱便无法满足新课教学需求。市场上实验箱硬件配置及其设计理念大多大同小异，重新购置设备势必会导致资源浪费。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明设计一种多内核共享单平台实验教学装置，采用单一平台设计，通过更换不同内核处理器实现单平台资源共享，将人机交互接口、信号转换、实时时钟、通信接口等资源和模块设计在一个单板，通过标准的接口与CPU内核板连接，通过更换不同类型CPU内核板都可以共享该平台的所有硬件资源。由于定义了开放的统一接口规范，用户可以自行设计CPU内核板使用，实现***升级。设计3.3V-5V宽电压范围，适应不同电源内核的CPU，设计了多显示器分时交错显示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多内核共享单平台实验教学装置，包括CPU内核板和资源平台主板两部分；CPU内核板为独立板件，资源平台主板设计有人机交互电路、A/D及D/A信号转换电路、RTC实时时钟电路、简易信号源电路、开放式I/O接口等，CPU开放所有I/O供用户使用，CPU内核板通过活动插座***资源平台主板构成一个整体。
所述CPU内核板设计分成不同的内核，每种CPU内核单独设计一块PCB板，定义标准电气接口用活动插座***平台主板，CPU内核板根据I/O口功能、电源、复位进行设计，人机交互电路、D/A转换在资源平台主板中预先接好线，通过短路帽与CPU I/O口连接，当需要使用这些资源时插上短路帽即可，去掉短路帽后则成为全开放I/O口，可以自由使用。
所述CPU内核板与资源平台主板之间定义了统一的电气接口规范，该统一电气接口规范中包含了I/O口、电源引脚、复位引脚、程序下载接口、特殊功能引脚，电源引脚同时接有5V、3.3V电压，以适应不同CPU型号电源要求，复位信号同时接入高电平复位和低电平复位信号。特殊功能引脚依据芯片型号不同定义不同功能有脉宽PWM、外部中断INTx、计数脉冲Tx，电源电路及复位电路设计在主板上，3.3V、5V电源电压同时接入CPU内核板，再从CPU内核板将电源馈入主板供给资源平台板使用，以实现CPU内核板、主板3.3V、5V电源自动切换，无需人为干预，复位电路设计手动复位功能，通过74AT04单反相器产生RESET、 两路不同极性复位电平，供CPU和主板硬件电路使用。
所述CPU内核板根据教学实际分别设计STC89C51、ATMEGA16、STM32F103、LPC2148等不同类型板。
所述人机交互电路包含输出显示和输入设备，输出显示设计有8位数码管显示、1602字符型液晶显示、128×64液晶显示以及8×8点阵显示，8位数码管采用动态数码显示法，128×64选择与KS0108/SED1565兼容的设计方案，以便在软件中直接仿真，由于这几种显示装置并非同时使用，将数码管、点阵的数据线通过74HC244总线驱动器隔离后，所有显示器的数据线并联在一起共享同一组CPU I/O口总线，通过切换开关切换控制使能显示装置，人机交互电路具有4×4矩阵键盘、4独立开关按键两种基本的输入装置，4×4矩阵键盘行、列线已预接至CPU内核板的一组I/O口，套上该组I/O短路帽即可使用，无需接线。
所述A/D及D/A信号转换电路中A/D信号转换电路由ADC0832组成的2通道串行结构，D/A信号转换电路则设计有串、并两种接口，并行接口D/A转换使用DAC0832实现，以便满足MCS-51单片机教学需求，使用接线最简单的直通法，串行接口D/A转换器则采用了DAC7412 12bit高精度转换芯片，以满足更高使用需求。
所述RTC实时时钟设计了两种典型的实时时钟电路，包含SPI三线串行通信接口DS1302和I2C串口通讯接口的PCF8563，两个芯片共用一个备用纽扣电池保持时钟信息，并由DS1302负责给锂电池充电。
所述简易信号源电路由TL555和CD4060组成，可以提供PWM脉宽可调的矩形波信号、÷N分频方波信号，PWM脉宽可调信号由TLC555时基电路产生，÷N分频脉冲源电路由CD4060产生。
所述资源平台主板还设计有继电器驱动、红外收发、无线通信、蓝牙接口、温湿度测量等接口和电路。
所述多内核共享单平台实验教学装置能够与包括仿真软件的串口COMPIM在内的物理模型直接通信，实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向串行通信。
本发明的积极效果是：1、本发明以解决实际教学问题为出发点，能解决众多单片机/嵌入式教学中存在的问题，具体能完成频率计，脉宽测量仪，数字电压表，数字电流表，数字电阻表，数字示波器，温度测量***，压力测量***，脉宽信号发生器，周期信号发生器，捕捉器；温度控制***，多功能电子琴，数控收音机等功能或***实验。
2、多核心、多电压，一机多能，经济适用，更换单片机核心板组件即可实现单片机内核的更换，自适应工作于5V、3.3V电压状态，实现了一机多用。
3、虚拟仿真与实物相结合，可以实现硬件实物与仿真软件的无缝对接。
附图说明
图1为本发明平台***组成框图；
图2 为本发明CPU内核板设计及接口定义示意图；
图3 为本发明人机交互的显示电路控制图；
图4为本发明的双RTC实时时钟实现原理图；
图5 为本发明的简易信号源电路实现原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合参照相关附图及实施例对本发明进行更全面的描述。
请参阅图1，一种多内核共享单平台实验教学装置，包括CPU内核板和资源平台主板两部分，CPU内核板为独立板件，资源平台主板设计有人机交互电路、A/D及D/A信号转换电路、RTC实时时钟、简易信号源电路、开放I/O接口，CPU开放所有I/O供用户使用，CPU内核板通过活动插座***平资源平台构成一个整体。
所述CPU内核板设计分成不同的内核，每种CPU内核单独设计一块PCB板，定义标准电气接口用活动插座***平台主板，CPU内核板根据I/O端口资源分配、电源、复位进行设计，LCD液晶显示、数码管显示、点阵显示、D/A转换在资源平台主板中预先接好线，通过短路帽与CPU I/O口连接，当需要使用这些资源时插上短路帽即可，去掉短路帽后则成为全开放I/O口，可以自由使用。
请参阅图2，所述CPU内核板与资源平台主板之间定义了统一的电气引脚接口规范，该统一的引脚接口规范中包含了I/O口、电源引脚、复位引脚、程序下载接口、特殊功能引脚，电源引脚同时接有5V、3.3V电压，以适应不同CPU型号电源要求。复位信号同时接入高电平复位和低电平复位信号。特殊功能引脚依据芯片型号不同定义不同，特殊功能引脚功能有PWM输出、外部中断INTx引脚、计数脉冲输入引脚Tx，电源电路及复位电路设计在主板上，3.3V、5V电源电压同时接入CPU内核板，再从CPU内核板将电源馈入资源平台主板供给资源平台主板使用，以实现CPU内核板、主板3.3V、5V电源自动切换，无需人为干预，复位电路设计手动复位功能，通过74AT04单反相器产生RESET、RESET#两路不同极性复位电平，供CPU和主板硬件电路使用。
请参见附图3，所述人机交互电路包含输出显示和输入设备，输出显示设计有8位数码管显示、1602字符型液晶显示、128×64液晶显示以及8×8点阵显示，8位数码管采用动态数码显示法，128×64选择与KS0108/SED1565兼容的设计方案，以便在软件中直接仿真，由于这几种显示装置并非同时使用，将数码管、点阵的数据线通过74HC244总线驱动器隔离后，所有显示器的数据线并联在一起共享同一组CPU I/O口总线，通过切换开关切换控制使能显示装置，人机交互电路具有4×4矩阵键盘、4独立开关按键两种基本的输入装置，4×4矩阵键盘行、列线已预接至CPU内核板的一组I/O口，套上该组I/O短路帽即可使用，无需接线。
请参见附图4，所述RTC实时时钟设计了两种典型的实时时钟电路，包含SPI三线串行通信接口DS1302和I2C串口通讯接口的PCF8563，U6、U10两个芯片共用一个备用纽扣电池保持时钟信息，并由U10芯片DS1302负责给锂电池充电，D13、D14负责电源隔离。
请参见附图5，所述简易信号源电路由U3、U9实现，其中U3为TLC555芯片，产生PWM脉宽可调的矩形波信号，调节W1电位器可以改变矩形波脉冲宽度。U9为CD4060芯片，组成÷N分频脉冲源电路Y4为32K晶振，经过分频器可以输出24、26、28、214分频信号。
所述A/D及D/A信号转换电路中A/D信号转换电路由ADC0832组成的2通道串行结构，D/A信号转换电路则设计有串、并两种接口，并行接口D/A转换使用DAC0832实现，以便满足MCS-51单片机教学需求，使用接线最简的直通法，串行接口D/A转换器则采用了DAC741212bit高精度转换芯片，以满足更高使用需求。
所述资源平台主板还设计有继电器驱动、红外收发、无线通信、蓝牙接口、温湿度测量等接口和电路。
所述多内核共享单平台实验教学装置能够与包括仿真软件的串口COMPIM在内的物理模型直接通信，实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向串行通信。
1、本发明以解决实际教学问题为出发点，能解决众多单片机/嵌入式教学中存在的问题，具体能完成频率计，脉宽测量仪，数字电压表，数字电流表，数字电阻表，数字示波器，温度测量***，压力测量***，脉宽信号发生器，周期信号发生器，捕捉器；温度控制***，多功能电子琴，数控收音机等功能或***实验。
2、多核心、多电压，一机多能，经济适用，更换单片机核心板组件即可实现单片机内核的更换，自适应工作于5V、3.3V电压状态，实现了一机多用。
3、虚拟仿真与实物相结合，可以实现硬件实物与仿真软件的无缝对接。

Claims (10)

1.一种多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：包括CPU内核板和资源平台主板两部分；CPU内核板为独立板件，资源平台主板设计有人机交互电路、A/D及D/A信号转换电路、RTC实时时钟电路、简易信号源电路、开放式I/O接口等，CPU开放所有I/O供用户使用，CPU内核板通过活动插座***资源平台主板构成一个整体。
2.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述CPU内核板设计分成不同的内核，每种CPU内核单独设计一块PCB板，定义标准电气接口用活动插座***平台主板，CPU内核板根据I/O口功能、电源、复位进行设计，人机交互电路、D/A转换在资源平台主板中预先接好线，通过短路帽与CPU I/O口连接，当需要使用这些资源时插上短路帽即可，去掉短路帽后则成为全开放I/O口，可以自由使用。
3.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述CPU内核板与资源平台主板之间定义了统一的电气接口规范，该统一电气接口规范中包含了I/O口、电源引脚、复位引脚、程序下载接口、特殊功能引脚，电源引脚同时接有5V、3.3V电压，以适应不同CPU型号电源要求，复位信号同时接入高电平复位和低电平复位信号；特殊功能引脚依据芯片型号不同定义不同功能有脉宽PWM、外部中断INTx、计数脉冲Tx，电源电路及复位电路设计在主板上，3.3V、5V电源电压同时接入CPU内核板，再从CPU内核板将电源馈入主板供给资源平台板使用，以实现CPU内核板、主板3.3V、5V电源自动切换，无需人为干预，复位电路设计手动复位功能，通过74AT04单反相器产生RESET、 两路不同极性复位电平，供CPU和主板硬件电路使用。
4.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述CPU内核板根据教学实际分别设计STC89C51、ATMEGA16、STM32F103、LPC2148等不同类型板。
5.如权利要求1或2所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述人机交互电路包含输出显示和输入设备，输出显示设计有8位数码管显示、1602字符型液晶显示、128×64液晶显示以及8×8点阵显示，8位数码管采用动态数码显示法，128×64选择与KS0108/SED1565兼容的设计方案，以便在软件中直接仿真，由于这几种显示装置并非同时使用，将数码管、点阵的数据线通过74HC244总线驱动器隔离后，所有显示器的数据线并联在一起共享同一组CPU I/O口总线，通过切换开关切换控制使能显示装置，人机交互电路具有4×4矩阵键盘、4独立开关按键两种基本的输入装置，4×4矩阵键盘行、列线已预接至CPU内核板的一组I/O口，套上该组I/O短路帽即可使用，无需接线。
6.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述A/D及D/A信号转换电路中A/D信号转换电路由ADC0832组成的2通道串行结构，D/A信号转换电路则设计有串、并两种接口，并行接口D/A转换使用DAC0832实现，以便满足MCS-51单片机教学需求，使用接线最简单的直通法，串行接口D/A转换器则采用了DAC7412 12bit高精度转换芯片，以满足更高使用需求。
7.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述RTC实时时钟设计了两种典型的实时时钟电路，包含SPI三线串行通信接口DS1302和I2C串口通讯接口的PCF8563，两个芯片共用一个备用纽扣电池保持时钟信息，并由DS1302负责给锂电池充电。
8.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述简易信号源电路由TL555和CD4060组成，可以提供PWM脉宽可调的矩形波信号、÷N分频方波信号，PWM脉宽可调信号由TLC555时基电路产生，÷N分频脉冲源电路由CD4060产生。
9.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述资源平台主板还设计有继电器驱动、红外收发、无线通信、蓝牙接口、温湿度测量等接口和电路。
10.如权利要求1所述多内核共享单平台实验教学装置，其特征在于：所述多内核共享单平台实验教学装置能够与包括仿真软件的串口COMPIM在内的物理模型直接通信，实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向串行通信。
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