从知识点掌握到应用系统构建的微机接口课程设计规划及实现

摘要:本文介绍一款廉价的积木化微机接口课程设计组件,该组件紧密结合理论课教学内容与进度,贯穿实际应用及工程设计知识,由浅入深,最终由微机功能部件的知识点逐步扩展到微机应用系统构建的知识面。

关键词:微机接口;课程设计;知识点;设计模块;系统构建

中图分类号:G642 文献标识码:A

1绪论

“微机原理与接口技术”课程既是一门原理性很强的专业基础类课程,同时也是一门工程性很强的应用技术类课程。它要求学生在理解微型计算机的系统结构与组成、相关功能部件的基本结构特点及工作原理的基础上能够掌握微型计算机内主要功能部件与微处理器的硬件连接方法及编程。多年来,国内的大部分高校在实践环节的安排上都采用了基于某种实验平台(开发板或实验箱)的实验方法。而这些实验平台的一个共同特点是,内部的全部或大部分的电路已经连接好,尽管有些实验平台提供了少量的电路连线由学生连接,但由于主要的电路连接模式已经固定,所以只能进行一些验证性实验项目,几乎没有什么设计实现上的灵活性可供学生选择。学生在按部就班完成各单元实验后,主要理解和掌握的是各单元功能部件的工作原理、接口及编程方法,而无法从系统的角度明晰各功能部件的作用,例如我们在对传统实验完成较好的学生所进行的调查中发现,当他们顺利做完所有的实验后基本上无法回答本微计算机实验系统“哪些功能部件在什么情况下是必要的”等有关系统整体结构实现方面的问题。为此,我们从2002年开始尝试设计一套与理论教学同步进行的课程设计实训体系,并且以最终完成一个小的微机应用系统的设计为目标,分阶段、分知识点模块(积木模块)实施的的课程设计方案。以下是具体的课程设计内容及要求。

2基于知识点的各积木功能模块划分

由于不同的专业对于微机与接口技术这门课的要求有所不同,所以首先我们结合本校相关专业的要求,将实训体系的教学目标定位为面向微计算机系统构成及其典型接口电路软硬件设计基本原理和方法的掌握以及工程实现技能的培养。另外在考虑学生接受能力以及课时数限制等因素,规划一套从知识点到知识面的实现线路,按照构建一个微机小系统的主要功能模块及实现顺序,制定了以下的主要知识点:

(1) 微机硬件核心及独立三总线形成,局部总线和系统总线,总线的共享

(2) 存储器地址译码,I/O口地址译码

(3) 并行接口功能及应用

(4) 定时器、计数器功能及应用

(5) 中断系统构成及应用

(6)A/D、D/A接口电路及应用

(7) 串行通信接口电路及应用

在确定知识点后的一个重要工作是规划具体实施方案,主要考虑与理论课内容的配合以及项目的可操作性和可实现性。

(1) 每个课程设计项目的实施在时间上尽量与理论课授课时间保持同步,时间为两周。

(2) 设计项目需要的元器件都是市面上易于购买且价格低廉的常用器件。

(3) 每个项目的内容保证大多数同学在规定时间可以设计制作完成。

基于以上知识点及实现原则规划的各积木功能模块见图1。

3各积木功能模块的设计实现要点

3.1微机硬件核心设计模块

(1) 设计内容及主要功能电路

8088最小工作模式选择:MN/MX引脚=高电平

地址及数据线的分离及项相应的电路实现:地址锁存器74373及独立地址线A19~A0生成,数据收发器74245及数据D7～D0的选通和双向传输,控制信号线ALE、DEN、DT/R的作用。

CPU时钟、复位信号、READY信号的提供:时钟发生器8284,晶振电路,复位电路,处理器主时钟CLK及外设时钟PCLK,READY信号作用。

(2) 工程设计知识

74LS到74LVC各系列器件的主要性能及应用选择,低电平驱动和高电平驱动的差别,电路无用引脚的处理,上拉、下拉电阻运用,总线共享原则,微机硬件核心工作状态判定,电路抗干扰常用措施,示波器及逻辑分析仪运用。

3.2存储器地址译码,I/O口地址译码

(1) 设计内容及主要功能电路

存储器地址空间与外设地址空间译码时的区分方法:M/IO信号运用。

按照特定地址对地址信号进行的片选及片内选择信号划分:基于3/8译码器74138或GAL16V8的高位地址线片选信号译码方法,低位地址线提供片内单元寻址。

存储器地址译码实现:一片128K×8位的FLASH ROM 29EE010和一片128K×8位的RAM HM628128由一片74138实现存储器地址译码。

外设口地址译码实现:A5~A3作为片选译码输入,A2~A0片内选择。一片74138实现8个外设片选信号译码。

(2) 工程设计知识

GAL16V8编程语言的运用及编程器烧写操作方法,FLASH ROM编程操作。

3.3并行接口8255应用设计模块

(1) 设计内容及主要功能电路

基于前面实现的微机硬件核模块+存储器模块+扩展总线+I/O片选信号

8255方式0应用设计:C口实现4×4键盘接口,A口、B口实现8位8段共阴数码管接口,数码管驱动74273。

软件扩展设计:多功能数字钟

(2) 工程设计知识

键盘防抖动处理,多位数码管共段数据轮回显示实现方法,共阴/共阳数码管及驱动。

3.4定时/计数器及中断控制器

(1) 设计内容及主要功能电路

基于前面实现的微机硬件核模块+存储器模块+扩展总线+I/O片选信号

8254+8259实现的定时中断电路及音乐产生电路:8254 + 1.19M有源晶振 + 小喇叭+ 8259。

(2) 工程设计知识

无源和有源晶振的区别及使用,上拉/下拉电阻使用及中断输入引脚的下拉处理。

3.5D/A、A/D接口电路及应用

(1) 设计内容及主要功能电路

基于前面实现的微机硬件核模块+存储器模块+扩展总线+I/O片选信号

由D/A变换器实现多功能函数发生器:DAC 0832+LM324运放+示波器

由A/D变换器实现0~5V电压采样及8位LED显示:ADC 0809+74393分频器+7402或非门+74373锁存器+8位LED+电位器。

A/D+D/A实现的模拟温度闭环调节系统:先设定一A/D采样值及对应的D/A输出值,当调节A/D输入电压时(模拟温度升高),D/A输出值增大(模拟制冷加强)。

(2) 工程设计知识

参考电压的灵活运用,A/D和D/A的量化误差,运放输出电压范围的调整及调0技术。

3.6串行通信接口电路及应用

(1) 设计内容及主要功能电路

基于前面实现的微机硬件核模块+存储器模块+扩展总线+I/O片选信号

基于8250实现异步串行接口:8250+MAX232×2+1.8432MHz晶振

(2) 工程设计知识

异步串口的多种连接方式及应用场合,逻辑分析仪在异步帧数据检测中的应用。

4综合各积木化功能模块的应用系统设计实现

综合前面实现的有关功能模块设计实现一个微机闭环温度控制系统。

要求:系统能实现可编程定时采样输入模拟电压,可通过键盘预设特定的D/A输出电压值,四位数码管显示:一位显示当前采样通道号,三位显示输出电压值(两位小数),采样数据以十进制ASCII码形式定时通过串口发往PC机Windows下的超级终端显示。

设计内容及主要功能电路:

系统硬件结构组成:硬件核心模块 + 存储器模块 + 8255模块(含键盘及数码管)+ A/D、D/A模块 + 8253、8259模块 + 8250模块。系统组成如图2所示。

5结论

本课程设计在题目和内容的规划上,除了注重知识点和系统性的结合以及课堂理论教学知识和工程设计知识的结合,同时考虑了具体实施中的可操作性。首先在时间的安排上基本按照二到三周进行一个设计题目,基本可完成规定的设计内容。另外所采用的元器件都是在市场上易于购买且价格低廉的大众化产品(设计中基本内容部分所需的全部元器件都是200多元)。本课程设计从2001年开始规划和实施,经过多年的不断改进和完善取得了较好的教学效果。不仅加深了学生对所学理论知识的全面理解,更锻炼了他们进行微机接口软硬件设计的实际动手能力,拓宽了知识面,为今后的工作和学习打下坚实的基础。

参考文献:

[1] 杨斌. 微机系统及其接口设计原理[M]. 成都: 西南交通大学出版社,2006.

[2] 杨斌. 微机原理与接口技术实验及课程设计[M]. 成都:西南交通大学出版社,2005.

The Course Projects Planning and Implementation of Micro-computer and Interfacing Technology

Based on Course key Points Mastering and Micro-computer Application System Construction

YANG Bin

(School of Computer and Communication Eng, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: This paper introduces a set of low cost course project modules of Microcomputer & Interfacing Technology. Those modules which combine with practical engineering design skill will be consistent with the theory of teaching content and in line with the course schedule . By doing these projects step by step, students will go through the easy part to the complex part. As a result, they will gradually master the course key points, and moreover, extend to the Micro-computer Application System Construction at the end of the course. The goal of this project is for the students to have a specific and comprehensive understanding and mastering about the knowledge architecture at the same time. In addition, it will develop their practical skill.

Key words: micro-computer interface; course projects; course key points; design modules; system construction