引言

對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本需求是：在有限的IO 接口上可以進(jìn)行多個項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這個基本需求，在進(jìn)行多個不同項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)時，要對單片機(jī)各個IO口進(jìn)行現(xiàn)場重接線。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場重接線方法有2類：

一類是現(xiàn)場手工插拔自鎖緊接插件；

另一類是現(xiàn)場手工插拔積木式實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

這兩類接線方式的實(shí)質(zhì)都屬于機(jī)械式金屬接觸。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過較長時間的使用，都難免會發(fā)生金屬接觸件之間的接觸不良現(xiàn)象。特別是自鎖緊接插件，問題更為嚴(yán)重：即使線芯開路了，從表面也難以通過肉眼發(fā)覺。導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成功率低下，占用學(xué)生甚至指導(dǎo)老師的排故時間，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效果。現(xiàn)代單片機(jī)實(shí)驗(yàn)或單片機(jī)開發(fā)都離不開上位機(jī)對軟件的編譯和程序的下載。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行手工重接線時上位機(jī)處于空閑狀態(tài)。利用上位機(jī)控制對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行自動重接線，是該研發(fā)項(xiàng)目研究的重要內(nèi)容。

1 項(xiàng)目研發(fā)思路概述

項(xiàng)目的研發(fā)思路見圖1 所示的流程圖。首先從底層做起，經(jīng)過深入調(diào)研，對自己要研制的項(xiàng)目進(jìn)行定位，根據(jù)各個學(xué)校提出的具體要求進(jìn)行篩選，制定出總共需要多少個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并為各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)出對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路圖，這些實(shí)驗(yàn)電路圖作為項(xiàng)目研發(fā)的基礎(chǔ)理論依據(jù)。根據(jù)這實(shí)驗(yàn)電路圖研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件裝置，各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的元器件（包含單片機(jī)）布置在電路板的頂層，控制現(xiàn)場自動重接線的電子式交叉開關(guān)電路所用到的元器件（ 包含FPGA 和專用模擬開關(guān)陣列ADG1161）布置在電路板的底層。

上位機(jī)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信采用USB連接，共要傳輸兩類數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)程序。上位機(jī)應(yīng)用軟件程序采用Visual C++編制，應(yīng)用程序?qū)⒏鱾€實(shí)驗(yàn)電路圖與實(shí)驗(yàn)編號一一對應(yīng)。當(dāng)要做某個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，可以啟動該實(shí)驗(yàn)編號，自動調(diào)出實(shí)驗(yàn)電路圖，將實(shí)驗(yàn)編號通過接口電路傳送給實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制部分，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制部分獲得該實(shí)驗(yàn)編號后，由FPGA內(nèi)的51核，根據(jù)項(xiàng)目編號對應(yīng)出電子式交叉開關(guān)的接通與斷開，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動重接線，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)滿足實(shí)驗(yàn)電路圖接線要求。

此時便可以在上位機(jī)上做編程實(shí)驗(yàn)，由專門的編譯系統(tǒng)（如Keil uV4或IAR）編譯實(shí)驗(yàn)程序，產(chǎn)生目標(biāo)代碼（*.bin 或*.hex），再由上位機(jī)通過所編制的應(yīng)用程序?qū)⒃撃繕?biāo)代碼傳送給實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)ROM中保存。單片機(jī)復(fù)位后便開始運(yùn)行該目標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電子式交叉開關(guān)及其控制電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目研發(fā)的關(guān)鍵是具有能按照不同的實(shí)驗(yàn)電路指導(dǎo)現(xiàn)場自動重接線的裝置。即實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制器按照上位機(jī)下達(dá)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目號對應(yīng)出實(shí)驗(yàn)電路，控制交叉開關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場自動接線。實(shí)現(xiàn)該控制功能所需的主要控制器件為2種：一種是超大規(guī)?，F(xiàn)場可編程的FPGA芯片；另一種是高性能的模擬開關(guān)陣列。通過對這兩種器件的有機(jī)組合，得到控制器電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

FPGA芯片采用賽靈思公司（Xilinx，Inc.）的Spartan？3E系列中XC3S1200E［3］，器件密度多于百萬門，該系列能方便實(shí)現(xiàn)微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器功能。

支持的通用I/O種類多，可通過串行（SPI）和并行閃存進(jìn)行器件配置，也可作為普通DDR存儲接口，這些特性減少了對其他分立器件的需求，從而可大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)陣列ADG1611［4］由ADI公司開發(fā)銷售，為每片4個通道的模擬開關(guān)，寬電壓供電，軌到軌輸出，其低到1 Ω的導(dǎo)通電阻和大到每通道175 mA的連續(xù)電流非常適合于本研發(fā)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。

3 控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目電路設(shè)計(jì)舉例

LED發(fā)光二極管流水燈［5］和4×4矩陣鍵盤是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中最常用的兩個實(shí)驗(yàn)實(shí)例，這里給出該研發(fā)項(xiàng)目中關(guān)于這兩個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的切換的設(shè)計(jì)電路原理圖，見圖3.

由圖3可知，F(xiàn)PGA 控制著兩組ADG1611模擬開關(guān)陣列，第一組連接LED 流水燈；第二組連接矩陣鍵盤。

當(dāng)選擇做LED 流水燈實(shí)驗(yàn)時，F(xiàn)PGA 控制第一組ADG1611 模擬開關(guān)接通、第二組模擬開關(guān)斷開；反之，當(dāng)選擇做矩陣鍵盤實(shí)驗(yàn)時，F(xiàn)PGA控制第一組ADG1611模擬開關(guān)斷開、第二組模擬開關(guān)接通。當(dāng)要同時使用LED發(fā)光二極管和矩陣鍵盤實(shí)驗(yàn)時，可以通過FPGA控制第三組（或第若干組）的ADG1611模擬開關(guān)陣列接通實(shí)驗(yàn)單片機(jī)別的IO口（圖中未畫出）。如何進(jìn)行現(xiàn)場自動重接線，完全由當(dāng)前實(shí)驗(yàn)號所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路圖指導(dǎo)控制，項(xiàng)目研發(fā)時已經(jīng)充分加以考慮了。限于篇幅，這里不具體贅述。

4 結(jié)語

經(jīng)過20臺（套）樣機(jī)試制成功并付諸于實(shí)驗(yàn)時正常使用一個學(xué)期以來，證明采用基于上位機(jī)控制自動接線單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，由于由系統(tǒng)啟動現(xiàn)場自動重接線，節(jié)省了以往老師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行手工重接線時間，克服了手工重接線容易接錯或接觸不良或線芯斷線等導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)失敗現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)效率，使學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時內(nèi)學(xué)到更多的知識。