一种单片机实验装置升级改造的实现方案

第２９卷第３期

２０１０年３月

实验室研究与探索

ｖ。１．２９Ｎ。．３

ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴｌ０ＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹＭａｒ．２０ｌＯ

一种单片机实验装置升级改造的实现方案

海

涛１，陈明媛１，骆武宁２，邹鸣１，

王

钧１

（１．广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４；２．南宁微控技术有限公司，广西南宁５３０００１）

摘

要：目前单片机实验装置往往仍用综合技术指标低的５ｌ系列单片机作为控制核心，对此提出了一

种低成本的系统改造方案，在不改变原有系统外围设备的情况下，通过一块电路板上的线路转换连接，令ＡＴｍｅｇａｌ６与５１系列单片机的管脚兼容，ＡＴｍｅｇａｌ６即可替代５ｌ系列成为控制核心。这是单片机升级换代的一种新思路，对学校单片机实验装置的升级改造非常有意义。文章给出具体的改造方案以及

一个典型实验的详细过程。

关键词：５ｌ系列单片机；ＡＴｍｅｇａｌ６；装置替代；升级改造中图分类号：ＴＰ

３６８．１

文献标识码：Ａ文章编号：ｌ００６—７１６７（２０１０）０３—００７６—０４

ＡｎＵｐｄａｔｅｄＲｅａＩｉｚａｔｉｏｎＳＣｈｅｍｅｆＯｒＳＣＭＥｘｐｅｒＩｍｅｎｔａＩＡｐｐａｒａｔｕｓ

删，死０１，

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（１．ＣｏＵｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ；

２．ＮａｎｎｉｎｇＭｉｃｒｏ—ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００ｌ，Ｃｈｉｎａ）

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ｃｌａｓｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５１ｓｅｒｉｅｓＳＣＭ；ＡＴｍｅｇａｌ６；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｕｐｄａｔｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ｌ

引言

变ＣＰＵ部分，原有系统的外围设备不变，若还需使用原来的ＣＰｕ，将其换回即可。这样既节约了资源，又大大提高了系统的综合性能。

目前，学校单片机实验装置多以５１系列单片机为控制核心，其他系列的单片机如ＡＴｍｅｇａ等作为控制核心的硬件系统基本没有。５１系列由于综合性能差已经被市场淘汰，而ＡＴｍｅｇａ系列以其强大的综合性能成为单片机应用的主力产品¨引。本文提出将原有以５１系列单片机作为控制核心的系统、实验设备等进行改造，通过一块电路板上的线路转换连接，令ＡＴ—

ｍｅｇａ

２替代的可行性分析

５１系列的单片机有３种总线结构以及４根独立控制线ＲＥＳ、ＥＡ／ＶＰ”ＡＬＥ／ＰＲＯＧ、ＰｓＥＮ组成口］。总线为：

（１）地址总线。１６位地址总线由Ｐｏ口经地址锁存器提供８位地址（ＡＤＯ—ＡＤ７）；Ｐ２口直接提供８位

地址（Ａ８一Ａ１５）。

１６与５ｌ系列单片机的管脚兼容，ＡＴｍｅｇａ１６即

可替代５ｌ系列成为系统控制核心。本替换方案仅改

（２）数据总线。８位数据总线由Ｐｏ提供。

收稿日期：２００９一０９一０８

基金项目：广西大学实验室教学改革建设项目（０８０２１３）

作者简介：海涛（１９６３一），男，回族，广西桂林人。硕士生导师，高级工程师，主要研究方向为工业自动化、检测仪表等。

（３）控制总线。由Ｐ：３口的第二功能状态。ＡＴｍｅｇａ系列采用的是Ｈａｎｒａｒｄ结构，其总线结构能够完全覆盖５１系列。以ＡＴｍｅｇａ１６为例：它有４组Ｉ／Ｏ端口Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，每个端口引脚都具有３个寄存器位：ＤＤｘｎ、ＰＯＲＴｘｎ和ＰＩＮｘｎ，ＤＤｘｎ位于ＤＤＲｘ（数据

Ｔｅｌ．：１３９０７７１５９１３；Ｅ哪ａｉｌ：ｈａｉｔａ０５９１３＠１６３．ｃ哪

第３期

海涛，等：一种单片机实验装置升级改造的实现方案

方向）寄存器，ＰＯＲＴｘｎ位于ＰＯＲＴｘ（数据）寄存器，ＰＩＮｘｎ位于ＰＩＮｘ（输入引脚地址）寄存器‘４｜。以ＡＴ．

ｍｅｇａ

１６和ＡＴ８９Ｓ５２为例，进行引脚功能和内部资源

的对比，如表ｌ‘５１所示。

衰ｌ

ＡＴｍｅｇａ

１６与ＡＴ８９ｓ５２引脚功能和内部资源对比

注：ＡＴｍｅｇａ

１６的４个Ｌ／Ｏ【】均为双向，ＡＴ８９ｓ５２除了端口Ｏ之外。

其他端口均是准双向Ｉ／Ｏ口

通过以上ＡＴｍｅｇａ１６与５ｌ的相应引脚和功能的对比，可见，用ＡＴｍｅｇａ１６芯片代替５ｌ在理论上是完

全可行的。

３

实现方案

本文进行改造的实验对象是广西大学电气工程学

院开发研制的单片机综合实验系统，图ｌ为该综合实验系统的系统框图。对此综合实验系统的改造，将保留除了ＡＴ８９ｓ５２芯片以外的全部模块，只需将ＡＴ．

ｍｅｇａ

１６模块取代ＡＴ８９Ｓ５２芯片，替换原理如图２所示。替换电路设计要点：

（１）复位电路。ＡＴｍｅｇａ１６的复位方式为低电平

复位，而ＡＴ８９Ｓ５２为高电平复位。因此，在替换电路上为ＡＴｍｅｇａ１６设计了独立的复位电路，将ＡＴｍｅｇａ

１６

Ｉ数码管显示｝．一—叫扩展并口８２５５

ｌ４×４键盘卜．一—叫步进电机电源模块Ｉ

ｌ温度转换卜一ＡＴ８９Ｓ５２

—叫

继电器输出ｌ蜂鸣器驱动卜．一—叫ＡＤｃ转换

ｌ时钟模块卜．一

—叫

ＬＥＤ

图１

５１单片机综合实验系统

注：该５ｌ综合实验装置的核心芯片是Ａ髓９ｓ５２，与Ｍｃｓ－５ｌ单片机产品兼容

和Ａ１＇８９Ｓ５２复位电路分开。

（２）系统频率。原５１单片机实验装置采用外部

１２

ＭＨｚ晶振作为系统时钟，而ＡＴｍｅｇａ１６一般采用其

内部８ＭＨｚ的Ｒｃ振荡频率作为系统频率。但这只需

要在为ＡＴｍｅｇａ１６配置熔丝位时设定使用内部８

ＭＨｚ

的ＲＣ振荡频率即可禁用外部１２ＭＨｚ晶振，因此替换电路上ＡＴｍｅｇａ１６和ＡｒＩ＇８９Ｓ５２的反向振荡放大器输入／输出端连在一起是不会对ＡＴｍｅｇａ１６造成影响的。

（３）ＡＤＣ。ＡＴｍｅｇａ１６内部有１个１０位的逐次逼

近型ＡＤＣ。ＡＤＣ与一个８通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口Ａ的８路单端输入电压进行采样。本着充分利用其内部丰富资源的原则，我们在替换电路上设计了给ＡＤＣ供电的ＡＶＣＣ和ＡＲＥＦ电路，并在ＡＲＥＦ引脚上加了１个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。如此便可在外部ＡＤＣ不足的情况下，利用其内部的ＡＤｃ进行采样扣１。

（４）电源和接地。ＡＴｍｅｇａ１６的ＶＣＣ和ＧＮＤ通

过与Ａ，ｒ８９Ｓ５２的共用引脚由５ｌ实验装置提供，所以替换电路上无需为ＡＴｍｅｇａ１６设计电源模块。

（５）程序调试和开发环境。替换电路上提供ＩｓＰ下载口以便并行下载，下载线的原理图如图３所示。

本实验进行软件调试所使用的编译器为由Ａｔｍｅｌ公司推出的应用于ＡＶＲ系列单片机的ＡｔｍａｎＡｖｒ

Ｃ

ＩＤＥ（Ｖｅ玛ｉｏｎ４．１）编译软件。其工程项目采用模块化

管理，可视化编程。提供多种向导支持动态添加／删减各种模块和中断函数，自动生成代码。文本编辑器支持自动提示函数参数信息，函数检索和插入等功能‘”。

４

实验部分

４．１

３２５５Ａ并口扩展实验

（１）实验目的。实现８２５５Ａ的Ａ、Ｂ、Ｃ口在方式

０（基本输入／输出方式）下工作。

（２）硬件部分。实验电路图如图４所示。从图４可以看出，ＡＴｍｅｇａ１６的ＰＡ０一ＰＡ７口复用为８２５５Ａ的数据线和地址线，因此必须使用７４Ｌｓ３７３进行地址锁存。在一般情况下，８２５５Ａ的片

７８

实验室研究与探索

第２９卷

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Ｐ３４

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９

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ＡＤＣ２ＡＤＣ３ＡＤＣ４ＡＤＣ５ＡＤＣ６ＡＤＣ７

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４

ＰＣＯＰＣＩＰＣ２ＰＣ３ＰＣ４ＰＣ５

（１．ｏＳＣｊ）ＰＣ６（ＴＯＳＣ２）ＰＣ７

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凸凸ｏＺＺＺｏｏｏ

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６Ｐ２４

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Ｃ，１０４Ｆ

ＡＴ８９ｃ５１．５２

Ｘ２

图２

ＡＴｍｅｇａｌ６替代ＡＴ８９ｓ５２的电路原理图

（３）软件设计。８２５５Ａ的Ａ、Ｂ、Ｃ口在方式０（基本输入／输出方式）工作的程序如下：

＃ｉｎｃｌｕｄｅ”８２５５Ａ．ｈ”＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｄｅｌａｙ．ｈ＞ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄ

ｉｏｊｎｉｔ（ｖｏｉｄ）／／端口初始化

｝ＰＯＲＴＡ＝０ｘＯ；

ＤＤＲＡ＝Ｏｘｆｆ；／／输出

ＰＯＲＴＢ＝Ｏ鬻０８；／／ＷＲ＝０，ＲＤ＝１

ＤＤＲＢ＝Ｏｘｆｆ；／／输出

ＰＯＲＴＣ＝Ｏ窟Ｏ：

ＤＤＲＣ＝０ｘｆｆ；｝／／输出

ｖｏｉｄ

ｃｔｒｌ８２５５ａ（ｕｃｈａｒｃｔｒｌ）／／写控制字

｛ｓｂｉ（ＰＯＲＴｃ，６）；／／ＣＳ＝ｌ，不选８２５５Ａ

图３

ＩＳＰ

Ｆ载线原理图

ＰｏＲＴＡ＝ｏｘ０３；／／ＡｏＡｌ＝ｌｌ，命令字

８ｂｉ（ＰＯＲＴｃ，７）；／／７４Ｌｓ３７３输出

选信号ｃｓ是与７４Ｌｓ３７３的Ｑ７（输出端）相连，但由于本实验所使用的实验装置上，ＣＳ与Ｑ７没有连接，而且Ｑ７端没有引出１个可外接的端口，因此改用ＡＴ ｍｅｇａｌ６的ＰＣ６口控制片选信号ｃＳ。在原实验装置上，７４Ｌｓ３７３的锁存允许端ＬＥ与ＡＴ８９Ｓ５２的ＡＬＥ／ＰＲＯＧ连接，但ＡＴｍｅｇａｌ６上并没有与ＡＬＥ／ＰＲＯＧ类似的引脚，因此在设计替换电路的时候，ＡＬＥ／ＰＲＯＧ没有和ＡＴｍｅｇａｌ６连接，所以在实验中用ＡＴｍｅｇａｌ６的ＰＣ７口控制锁存允许端ＬＥ。

使用Ｉ／Ｏ口控制ＣＳ和ＬＥ端口必须要格外注意逻辑时序的配合。表２、３分别给出８２５５Ａ和７４ＬＳ３７３端口控制逻辑¨１。

根据上述硬件电路分析和表２、３中的控制逻辑，得出ＡＴｍｅｇａ１６控制８２５５Ａ的逻辑时序如图５所示。

ｃｂｉ（ＰＯＲＴｃ，７）；／／７４Ｌｓ３７３锁存

ＰＯＲＴＡ＝ｃｔｒｌ：

ｃｂｉ（ＰＯＲＴＣ，６）；｝／／＝Ｏ，选８２５５Ａ

ｖｏｉｄ

ｗｒｉｔｅ＿８２５５ａ（ｕｃｈａｒｖａｌｕｅ）

｛ｓｂｉ（ＰＯＲＴｃ，６）；／／Ｃｓ＝ｌ，不选８２５５ＡＰＯＲＴＣ＝Ｏ如；／／写Ａ口地址

Ｂｂｉ（ＰＯＲＴｃ，７）；／／７４Ｌｓ３７３输出

ｃｂｉ（ＰＯＲＴＣ，７）；／／７４Ｌｓ３７３锁存ｃｂｉ（ＰＯＲＴＣ，６）；／／＝Ｏ，选８２５５ＡＰＯＲＴＡ＝ｖａｌｕｅ；｝／／输出Ａ口数据

ｉｎｔ

ｍａｉｎ（ｖｏｉｄ）

ｌｉ０－ｉｎｉｔ（）；ｗｈｉｌｅ（１）

｛ｃｔｄ＿８２５５ａ（０ｘ８０）；／／ＡＢＣ均为输出

ｗｒｉｔｅ－８２５５ａ（０ｘｆａ）；／／Ａ口输出数据

第３期

海涛，等：一种单片机实验装置升级改造的实现方案

７９

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ＰＢ５（ＭＯＳｌ）ｐＢ６（ＭＩＳＯ）ＰＢ７【ＳＣＫ）

（ＡＤＣ２）ＰＡ２（ＡＤＣ３）ＰＡ３（ＡＤＣ４）ＰＡ４（ＡＤＣ５）ＰＡ５（ＡＤＣ６）ＰＡ６（ＡＤＣ７）ＰＡ７

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８２５５Ａ

ＰＣ０ＰＣＩＰＣ２ＰＣ３ＰＣ４ＰＣ５ＰＣ６ＰＣ７

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图４

表２

８２５５Ａ的端口控制逻辑

ＡＴｍｅ９８１６与８２５５Ａ接线图

表４

８２５５Ａ端口选择‘’１

（４）实验结果。通过与Ａ、Ｂ、Ｃ３口连接的ＬＥＤ灯观察输出结果。改变各端口的输出数据，ＬＥＤ灯按照给定的输出数据正常工作¨…。４．２其他实验

除了８２５５Ａ并口扩展实验，还进行了４×４键盘、数码管显示、温度转换Ｊ。等实验，实验装置上的各硬件资源都得到充分的利用，本文在此就不再一一赘述。

５

结语

腿蝴，＜二卜＜＞一＜＞◇

控制字

工作方式选通端口输出数据图５逻辑时序图

实验结果证明，ＡＴｍｅｇａ１６替代５ｌ系列作为控制核心，在实践中是可行的。这种改造方法，不仅仅可以

用ＡＴｍｅｇａ１６去替代５１系列，还可以推广到用ＡＴ．

ｍｅｇａ

６４、ＡＴｍｅｇａ

１２８等综合性能更强大的单片机去

替代。该改造方法可靠性高，成本低，操作方便，适用于各院校的单片机综合实验系统的改造。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

［１】

张晴，刘为．单片机实验教学改革［Ｊ］．实验室研究与探索，

２００３，２２（４）：２７－２９．

ｄｅｌａｙ（２，８０００）；｝

｝

注：上述程序只给出控制Ａ口的命令字写法，Ｂ、Ｃ口命令字写法与其一样，仅是命令字不同，如表４所示。

【２］黄桂梅．ＡＶＲ单片机实训教学平台的构建与实践［Ｊ］．职业技术教育，２００９（２）：４９巧１．

（下转第８７页）

第３期张傻：基于递归树的递归调用分析

ｉｆ（凡＝：１）｛

８ｔｄ：：ｃｏｕｔ．＜＜口＜＜“，”＜＜６＜＜“，”

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８７

＃０６鼻０７

本文首先提出了创建递归树的递归算法ｃｒｅａｔｅＲ－ｅｃｕｒｓｉｖｅＴｒｅｅ，映射和扩展是算法的２大主要操作。然后研究了递归树遍历序列与递归函数中不同位置观察点之间的对应关系，提出“遍历序列一观察点一递归调用映射规则”。最后按照４个步骤实现了递归树的创建和遍历。为方便应用，本文还应用ｓＴＬ和ｂ００８ｔ库容器和算法设计了一组实用分析工具，把４个步骤

＃０８

ｒｅｔＵｍ：

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＃１０＃１１＃１２＃１３＃１４舞１５舟１６＃１７＃１８＃１９＃２０

ｉｎｔ

｝

ｈａｎｏｉ（ｎ—ｌ，口，ｃ，６）；ｈａｎｏｉ（１，口，６，ｃ）；ｈａｎｏｉ（ｎ—ｌ，６，口，ｃ）；｝

实现为３个宏，它们分别是宏ｄｅｆｉｎｅ一骶ｅ确定映射关

系并刨建递归树，宏ｏｂｓｅｎｒｅ设置观察点，宏ｐｒｉｍ＿ｔｒｅｅ输出递归树。

ｍａｉｎ（）｛

以汉诺塔问题为对象，本文根据递归树创建算法Ｃｒｅａ￡ｅＲｅｃｕｒｓｉｙｅＴｒｅｅ建立了递归函数ｈａｎｏｉ的递归树，并应用宏对递归函数ｈａｎｏｉ进行了分析和观察，验证了“遍历序列一观察点一递归调用对应规则”。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

【１］寿永熙．ＢＡｓｌｃ语言递归调用分析［Ｊ】．计算机应用，１９９２（１）：

１７一１８．

ｈａｎｏｉ（３，‘月’，‘曰’，‘Ｃ’）；

ｐｒｉｎｔ—ｔｒｅｅ（）；｝

上述程序的观察点设置在第４行，在这个位置可观察到所有发生的递归调用。运行上述程序，可得到递归调用过程的输出序列，因为行数较多，此处不附。

依次改变观察点，例如在第７、１０、１４行分别设置观察点，则可以观察到不同范围的递归调用序列，都表明“遍历序列一观察点一递归调用映射规则”的正确

性。

５

［２］肖晓凌．ＦＯＲＴＲＡＮ语言递归调用的一种方法［Ｊ］．微计算机应

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［５］徐振华．程序设计算法探讨——递归调用与非递归调用［Ｊ】．中

分析递归程序的运行过程、观察变量的取值变化，是为了清晰认识递归函数的运行机制。利用开发工具的调试功能进行实验观察，往往具有一定的操作难度。

本文提出１种基于递归树的递归调用分析方法。该方法把子递归调用映射为树节点，并按照递归调用顺序把节点存储在树中，每个节点都包括了所对应递归调用过程的关键数据。对递归树进行不同范围的遍历，就得到全部或者部分递归调用过程的序列。以这种方法分析递归程序，能够以简单的方法获得递归调用过程中的关键信息。

。

国石油大学胜利学院学报，２００６，２０（２）：１７一１９．

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一种单片机实验装置升级改造的实现方案

作者：作者单位：

海涛， 陈明媛， 骆武宁， 邹鸣， 王钧， HAI Tao， CHEN Ming-yuan， LUO Wu-ning，ZOU Ming， WANG Jun

海涛,陈明媛,邹鸣,王钧,HAI Tao,CHEN Ming-yuan,ZOU Ming,WANG Jun(广西大学,电气工程学院,广西,南宁,530004)， 骆武宁,LUO Wu-ning(南宁微控技术有限公司,广西,南宁,530001)

实验室研究与探索

RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY2010,29(3)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(10条)

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