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      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

      2016-07-22 02:51:18許逸波郝慧杰周潤(rùn)肖建
      科技與創(chuàng)新 2016年13期
      關(guān)鍵詞:模塊化物聯(lián)網(wǎng)單片機(jī)

      許逸波++郝慧杰++周潤(rùn)++肖建

      文章編號(hào):2095-6835(2016)13-0008-03

      摘 要:由于傳統(tǒng)電工電子實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)存在陳舊落后、結(jié)構(gòu)固定的情況,已經(jīng)脫離了物聯(lián)網(wǎng)革命的潮流,實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化改革迫在眉睫。在分析物聯(lián)網(wǎng)原理的基礎(chǔ)上,使用模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)網(wǎng)口模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,采用單片機(jī)與FPGA協(xié)同處理控制,通過(guò)IIC總線驅(qū)動(dòng)單元電路組合,完成了實(shí)驗(yàn)箱硬件結(jié)構(gòu)和基于ARM和FPGA的IIC驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和系統(tǒng)控制程序,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)與控制終端遠(yuǎn)程互聯(lián),完成了13個(gè)基本實(shí)驗(yàn),并可以通過(guò)更新實(shí)驗(yàn)?zāi)K拓展實(shí)驗(yàn)箱功能。實(shí)踐證明,實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)系統(tǒng)性價(jià)比高,可以突破時(shí)間與空間的限制,提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率,增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量。

      關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);實(shí)驗(yàn)箱;模塊化;單片機(jī)

      中圖分類號(hào):TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.008

      隨著各大高校對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的重視,實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸被提升到一個(gè)較高的地位。而目前,許多高校的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是從教儀企業(yè)采購(gòu)的。該類平臺(tái)的結(jié)構(gòu)往往固定,而且采用的導(dǎo)線連接直插式電子元器件方式,存在分立元件過(guò)多導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)雜亂無(wú)章、錯(cuò)誤頻現(xiàn)的弊端,造成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢、實(shí)際利用率低,難以滿足學(xué)生日益增長(zhǎng)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)需求。這在很大程度上制約著學(xué)生專業(yè)能力的鞏固和提高。

      此外,隨著近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的興起,實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)信息化已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然趨勢(shì)。從提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、實(shí)現(xiàn)信息化改革的角度出發(fā),本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種具備物聯(lián)特性的基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)。它依托可編程器件和IIC總線通信技術(shù),采用模塊化設(shè)計(jì),兼容多種實(shí)驗(yàn)電路單元,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò),提供功能可變、遠(yuǎn)程可控、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提升設(shè)備的通用性和更新速度,提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率,提高教學(xué)質(zhì)量。

      1 實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

      在實(shí)驗(yàn)教學(xué)物聯(lián)化改革的趨勢(shì)中,基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)首先要解決的問(wèn)題是設(shè)備通信。對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器及客戶端之間的通信,采用網(wǎng)口通信的方式更加合適,以ARM單片機(jī)為通信核心,通過(guò)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入,便于用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的操作以及波形數(shù)據(jù)測(cè)量;對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)內(nèi)部的通信,在眾多的通信方式中,IIC總線作為一種出色的通信方式,資源成本極低,而且信息傳輸速率相對(duì)較高,具備多從機(jī)掛載能力。因此,采用IIC總線進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部通信,便于FPGA對(duì)于實(shí)驗(yàn)電路模塊的管理和控制。

      另外一個(gè)需要解決的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新?;贔PGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),依托IIC總線連接多個(gè)可插拔的電路模塊,在無(wú)需改動(dòng)控制單元的情況下,靈活動(dòng)態(tài)地搭建實(shí)驗(yàn)電路。此外,可以根據(jù)學(xué)生在不同階段不同層次的學(xué)習(xí)需求,采用更換電路模塊的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新,充分滿足創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)需要。

      當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)還需要包括處理模塊、電源模塊、編程下載口模塊和信號(hào)輸入/輸出模塊,加上之前的通信模塊、總線控制模塊和電路模塊三個(gè)模塊,共七個(gè)部分。系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)電源模塊提供功能保障,以單片機(jī)和FPGA協(xié)同的處理模塊為核心,向周邊輻射展開(kāi)各功能模塊,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的物聯(lián)與重構(gòu)功能。實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      2 單元模塊設(shè)計(jì)

      根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)集成多種功能,采用雙層結(jié)構(gòu),下層為實(shí)驗(yàn)箱底板,上層為各功能模塊,包括處理模塊、電源模塊、通信模塊、總線控制模塊、編程下載口模塊、信號(hào)輸入/輸出模塊和電路模塊。圖2為實(shí)驗(yàn)箱示意圖。

      2.1 處理模塊設(shè)計(jì)

      實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)借鑒片上系統(tǒng)(System on Chip,SOC)的思想,采用單片機(jī)與FPGA協(xié)同工作的方式,充分發(fā)揮FPGA的資源優(yōu)勢(shì)以及ARM微處理器的低成本、低功耗和高性能,用 ARM單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的信息通信,用FPGA完整控制內(nèi)部系統(tǒng),兩者之間采用一組I/O口進(jìn)行并行數(shù)據(jù)通信。其中,F(xiàn)PGA處理單元采用Xilinx的Spartan XC3S50,作為5萬(wàn)門級(jí)

      的可編程芯片,加上144個(gè)I/O口,其性價(jià)比高、處理速度快,完全可以滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本需求以及學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)需求;單片機(jī)處理單元采用的是STM32F103VE,其采用的ARM CORTEX-M3的內(nèi)核和32位精簡(jiǎn)指令集,成本低,性能優(yōu)異,在72M的工作頻率下,具備較高的處理速度和較強(qiáng)的處理能力,可以進(jìn)行較高速的數(shù)據(jù)通信和處理。

      2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

      實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)主要用到的是+1.2 V、+3.3 V和±5 V,其中,+1.2 V和+3.3 V分別為FPGA芯片的內(nèi)核與I/O口供電,使用±5 V給各模塊器件供電。1.2 V電源電路如圖3所示。

      具體做法如下:①采用XL2576S降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,將由外部輸入的12~40 V電壓信號(hào)進(jìn)行降壓并穩(wěn)定輸出5 V;②將5 V電壓作為輸入信號(hào),通過(guò)AMS1117-3.3電源芯片降壓至所需的3.3 V;③以3.3 V電壓作為輸入信號(hào),通過(guò)AMS1117-1.2電源芯片來(lái)獲取1.2 V的目標(biāo)電壓。此外,考慮到電源正負(fù)極反接的可能,在信號(hào)輸入端采用最大反相電壓為45 V的1N5817二極管——超過(guò)了學(xué)生直流電源的最大輸出電壓,充分保護(hù)電源模塊及實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)。3.3 V紋波抑制電源電路如圖4所示。

      由于系統(tǒng)中的各功能模塊對(duì)電壓值具有較高的要求,因此,如圖4所示,可以在輸出端外接成排接地電容,有效地濾除紋波,提高電源質(zhì)量,給整個(gè)物聯(lián)化實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)提供紋波較小的工作電壓。

      2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

      通信作為必不可少的一部分,其主要由兩部分組成,分別為RS232串口單元和網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口單元。通信模塊與處理模塊連接,其中主要是采用ARM處理核心來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理的。RS232串口單元用于終端客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸,在9 600波特率的速率下進(jìn)行信息交互。網(wǎng)口單元主要由串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊構(gòu)成,模塊集成 10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,最高波特率256 Kbps。將終端客戶配置為TCP Client工作模式,實(shí)驗(yàn)箱配置為TCP Server,采用用戶/服務(wù)器的工作方式,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱與客戶終端之間的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)以串口數(shù)據(jù)的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理模塊。由于串口工作電平不同,在串口和控制電路之間還需要RS-232線路驅(qū)動(dòng)器/接收器——ADM3202RN,通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器加上電壓電平轉(zhuǎn)化發(fā)射/接收器,實(shí)現(xiàn)通信單元與單片機(jī)的隔離,保護(hù)電路,防止發(fā)生高電壓損壞電路的情況。

      2.4 總線控制模塊設(shè)計(jì)

      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的核心內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)電路的構(gòu)成,總線控制模塊是建立在IIC總線和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)基礎(chǔ)上的,由單片機(jī)通過(guò)網(wǎng)口來(lái)接收客戶端數(shù)據(jù),同時(shí)把信息返回給通信模塊,實(shí)現(xiàn)信息的交互;然后單片機(jī)和FPGA協(xié)同處理控制命令,并主要通過(guò)FPGA來(lái)確定電路的重構(gòu)方式,采用IIC總線主從應(yīng)答的方式,選擇所需的電路模塊,通過(guò)控制命令,實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)單元電路的組合控制,確定各單元電路的動(dòng)態(tài)組合,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路重構(gòu)。IIC結(jié)構(gòu)如圖5所示。

      該模塊是基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的特點(diǎn),由于賦予各電路模塊唯一的IP地址,使得這些模塊可以通過(guò)同一組IIC總線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,降低了產(chǎn)品的整體成本。此外,采用的環(huán)形布局和布設(shè)的多組接插口,不僅提高了系統(tǒng)的集成度,減少了導(dǎo)線長(zhǎng)度,還可以降低信號(hào)衰減,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

      2.5 電路模塊設(shè)計(jì)

      電路模塊是基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)部分,由模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊組成,負(fù)責(zé)提供構(gòu)成電路的多種元器件和小規(guī)模電路模塊。其中,數(shù)字電路相對(duì)簡(jiǎn)單,可以由FPGA來(lái)直接控制和生成所需電路,當(dāng)然也可以采用獨(dú)立的電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn);而模擬電路要復(fù)雜得多,信號(hào)不再局限于“0”和“1”。因此,只能采用模塊來(lái)構(gòu)成電路,通過(guò)FPGA進(jìn)行模塊的組合拼接,搭建實(shí)驗(yàn)電路。此外,實(shí)驗(yàn)板上保留了多個(gè)用于激勵(lì)信號(hào)輸入、采集和控制的管腳,進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的靈活性。

      2.6 信號(hào)輸入/輸出模塊

      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)采用的FPGA具有144個(gè)I/O口資源,在此預(yù)留了5個(gè)輸入信號(hào)端與5個(gè)信號(hào)輸出端,采用標(biāo)準(zhǔn)的4 mm香蕉插頭,降低信號(hào)衰減幅度,提高系統(tǒng)可靠性。

      2.7 編程下載口模塊

      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)中采用的是可編程器件與單片機(jī)作為處理單元,因此需要分別設(shè)計(jì)下載模塊。

      (a) (b)

      圖 6 編程下載接口

      對(duì)于單片機(jī)而言,從節(jié)約系統(tǒng)資源和提高下載效率的角度出發(fā),采用SWD燒錄模式,僅需GND、VCC、SWDIO和SWDCLK 4個(gè)端口就可以實(shí)現(xiàn)仿真器與STM32的連接。在高速模式下,它比JTAG更加可靠,燒錄成功率更高,如圖6(a)所示;對(duì)于FPGA而言,采用JLINK仿真下載的方式,則至少需要VCC、GND、TDO、TMS、TCK和TDI6個(gè)接口,所有接口采用標(biāo)準(zhǔn)間距2.54 mm,如圖6(b)所示。

      3 實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)用

      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的基本功能如表1所示。

      與傳統(tǒng)的基于8051的電工電子實(shí)驗(yàn)箱相比,該實(shí)驗(yàn)箱的批量生產(chǎn)成本約700元。尤其在實(shí)驗(yàn)箱網(wǎng)絡(luò)接入之后,用戶只需支付網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)費(fèi)用,成本極低,而且還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。表1所列舉的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只是最基礎(chǔ)的一部分,可以根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求,通過(guò)更換電路模塊的方法來(lái)更新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.因此,該實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的功能更加全面,可滿足學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)。

      考慮到大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的需要,實(shí)驗(yàn)箱上預(yù)留了編程下載口模塊和多個(gè)I/O口,提供實(shí)驗(yàn)箱的二次開(kāi)發(fā)空間,使得該實(shí)驗(yàn)箱可以作為學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽的賽前訓(xùn)練之用,以學(xué)促賽,以賽促學(xué)。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      基于FPGA的模塊化聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)包括處理模塊、電源模塊、通信模塊、總線控制模塊、編程下載口模塊、信號(hào)輸入/輸出模塊和電路模塊,集成多種常用電子元器件,采用IIC總線控制的方式,根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行單元模塊的動(dòng)態(tài)組合,實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為支撐的實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng),采用客戶終端控制的方式,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)交互、遠(yuǎn)程控制和電路重構(gòu),擺脫了電工電子實(shí)驗(yàn)中時(shí)間和空間上的限制,提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富性和靈活性,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)功能可變、遠(yuǎn)程可控、虛實(shí)結(jié)合的硬件平臺(tái)。此外,作為教育改革中的一部分,本設(shè)備的成功研制,對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化改革和建設(shè)具有一定參考意義。

      參考文獻(xiàn)

      [1]惠煌,賴曉晨,遲宗正,等.高校單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備自制模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(5).

      [2]周冠玲,馮占英,李戰(zhàn).“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革的探討[J].中國(guó)電化教育,2012,33(6).

      [3]黃衛(wèi)華,賈歷程.“基于FPGA的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改革與實(shí)踐”[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(4).

      [4]部德才,張永平.基于LabVIEW的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2014(20).

      [5]于娟,唐瑞.基于89C52單片機(jī)的LED顯示器設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2016(01).

      [6]王漢森.一種智能功能集成的設(shè)計(jì)方法及實(shí)例[J].科技與創(chuàng)新,2016(01).

      [7]賈萍,丁向榮,胡美蘭.“教、學(xué)、做”一體化單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(6).

      [8]胡文華,胡仁喜.Altium Designer 13電路設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

      〔編輯:胡雪飛〕

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