0 引言

　　“ 數字電路與邏輯設計”、“ 可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”是電子類相關專業的重要專業課程，在電工電子教學中占有非常重要的地位，也是現代EDA 技術的重要組成部分。一方面，三門課程都具有很強的實踐應用性，學生學習的重點在于通過實踐，真正掌握軟硬件的有機結合和實際系統的應用能力。另一方面，三門課程聯系緊密，其中“數字電路與邏輯設計”課程是“可編程邏輯器件與應用”課程的基礎，且隨著現代電子技術的發展，傳統的采用分立元件完成數字電路實驗的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時，在實際的工程應用中，經常會需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對單片機外圍電路進行擴展。因此，三門課程在電子系統設計中不可分割。

　　雖然目前市場上有各式各樣的數字電路、EDA 或單片機的教學設備，但大多是獨立的、“單板式”的設計模式，即使有少量綜合性實驗平臺，也只是簡單的把幾門課程的實驗資源集成到一個實驗平臺，然后根據需要采用導線連接，和獨立的實驗平臺之間并沒有本質的區別。此外，不同實驗平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的；但在不同的實驗設備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費。最后，一體化的設計難于進行功能的擴展，不利于學生進行創新項目的設計。在這種情況下，從培養學生的創新精神和提高綜合利用所學知識解決工程實際問題的能力出發，迫切需要一種既能完成每門課程的獨立實驗，又能完成綜合性設計實驗的實驗平臺。

　　本實驗系統針對上述問題，采用電路動態重組的方式，提供0~7共8個模式，在一套實驗系統上既含有數字電路常用邏輯芯片的功能，也含有可編程邏輯器件、單片機的硬件資源，可同時滿足三門課程的教學需要。

　　實驗系統還預留擴展接口，可以將設計的擴展電路連接到實驗系統，有利于訓練學生的創新能力。

　　1 綜合實驗系統設計方案

　　綜合實驗系統采用電路可動態重組的設計方案，其系統結構框圖如圖1所示。

　　系統分為：主控電路模塊、單片機模塊、PLD 模塊、人機交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預留擴展接口模塊。

　　主控電路模塊是完成電路動態配置的核心，能夠實現所有資源之間的任意連接。

　　人機交互模塊通過LCD12864 顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實現模式的選擇、設置信號的參數以及觀察測量結果等功能。

　　顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統稱為基本外設模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實驗系統還配備信號發生和檢測功能，能夠產生頻率可調的方波信號，并能測量輸入信號的頻率和電壓。

　　1.1 主控電路模塊

　　主控電路模塊采用Altera 公司的MAX Ⅱ 系列EPM570T144C5N 作為控制芯片，MAXⅡ系列器件既具有FPGA 的查找表的體系結構和性能，又具有CPLD 存儲數據非易失性、易于編程和瞬時接通的功能，應用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時不需要外部存儲器件這一在用戶看來更容易識別的特性，所以被Altera公司歸入CPLD.主控電路實現電路的動態重組，可按需配置成不同的連接，實現綜合實驗系統的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機模塊、PLD模塊、預留擴展接口模塊、基本外設模塊等通過標準I/O口直接和主控電路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 連接（實線雙向箭頭所示）。由于器件內部具有豐富的互連線，只需簡單的硬件編程即可實現不同I/O接口之間的數據相互轉發，即實現片上數據路由的功能。因此，通過硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）對該CPLD進行編程，即可完成其他功能模塊之間的數據轉發，實現這些模塊之間的間接連接（虛心雙向箭頭所示）。對用戶而言，用戶只需要通過人機交互模塊進行配置控制，選擇需要的模式，就能調用預先存儲好的不同連接配置信息，自動實現實驗系統不同模塊之間的動態連接。具體說來，有三種形式的連接：

　　（1）把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產生和測量連接到PLD模塊，實現獨立可編程邏輯器件實驗平臺的功能。同時可編程邏輯器件還可模擬74系列數字芯片，實現獨立的數字電路與邏輯設計實驗平臺的功能。

　　（2）把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產生和測量連接到單片機模塊，實現獨立單片機實驗平臺的功能。

　　（3）把單片機模塊與PLD 模塊進行連接，再通過PLD 模塊連接基本外設模塊、預留擴展接口模塊等，實現綜合實驗平臺的功能。

　　對用戶來說，這些模塊之間是直接連接的，用戶只能接觸到基于動態重組電路之上的各個功能模塊。

　　主控電路EPM570T144C5 的具體連接電路如圖3所示。

　　1.2 單片機模塊

　　單片機模塊目前選用器件為SST89E516RD，是SST公司生產的一款基于8051內核的8位單片機，最大特點是具有在線下載和在線調試功能。其管腳兼容AT89C51，時鐘頻率0~40 MHz，集成1 KB 片內RAM，64 KB+8 KB 的FLASH E2PROM.此外，單片機模塊還配置溫度傳感器DS18B20，8 KB 串行E2PROMAT24C08.單片機器件通過標準接插件連接到EPM570T144C5N，可根據需要隨時更換。　　

　　1.3 PLD模塊該模塊可根據需要更換不同的EDA核心板。

　　本實驗系統采用自行設計的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320個邏輯單元（LE）、46 個M9K 模塊、423Mbit 的RAM、以及23 個18×18硬件乘法器、2個PLL、10個Gclks.該EDA核心板還提供8個獨立按鍵，1個40 MHz的有源晶振。

　　1.4 其他外圍硬件資源

　　在人機交互模塊、顯示模塊、以及矩陣按鍵模塊還提供一些常用的硬件資源，包括：10位高精度A/D轉換器ADS7822、12位高精度D/A轉換器TLC5615、8個發光二極管、8個共陰7段數碼管、字符液晶1602、帶字庫點陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。

　　1.5 擴展接口

　　可通過P3、P4兩個40針雙排插座實現與其他電路的連接，靈活支撐各類設計項目，有利于學生綜合、創新能力的訓練。

　　圖4所示為擴展接口與核心電路EPM570T144C5N的連接示意。

　　2 實驗系統模式

　　綜合實驗系統采用模式化結構，有0~7 共8 個模式，可通過人機交互模塊中的按鍵S0~S4進行選擇。其中模式0~4是單片機模式，模式5~7是可編程邏輯器件模式。不同模式下，電路的結構以及外圍硬件資源均有不同。