賈玉榮, 王 鵬, 祁 碩

(清華大學 電機系, 北京 100084)

基于數(shù)碼管顯示教學實驗設(shè)計

賈玉榮, 王 鵬, 祁 碩

(清華大學 電機系, 北京 100084)

為了深化計算機硬件課程教學改革、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,適應基于項目型實驗來培養(yǎng)學生實際動手能力的趨勢,設(shè)計了一套數(shù)碼管控制實驗，給出了電路。該實驗通過微控制器實現(xiàn)對8位數(shù)碼管的并行、串行控制。通過這些控制方式的具體實現(xiàn),使學生對微控制器的使用,以及并行、串行通信機制的理解有更清晰的認識。該實驗可激發(fā)學生做實驗的積極性,取得良好的實驗教學效果。

數(shù)碼管顯示； 實驗設(shè)計； 微控制器； 并行控制； 串行控制

計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程是工程類學科非計算機專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。很多高校早期通?；趚86體系架構(gòu)進行講授和實驗教學[1-7]?；趚86體系架構(gòu)的教學方式,無論是講授內(nèi)容還是實驗內(nèi)容,都顯得復雜且不實用[5-6]。學生學完該課程后,在實際的科研或各類電子競賽中均無用武之地。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,各類微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)及ARM已廣泛應用于日常生活。目前,清華大學等很多高校都不再基于x86進行該類課程的講解[1,8-11],而是選用微控制器或ARM[3]。

清華大學的計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程目前主要基于TI公司的MSP430x2xx系列微控制器。在實驗教學中,設(shè)計了一系列針對基本模塊的實驗,如基本I/O實驗、中斷實驗、定時器、時鐘模塊、串行接口控制、A/D轉(zhuǎn)換等。在此基礎(chǔ)上,還要求學生完成一個綜合實驗項目,包含對微控制器多個模塊的綜合使用。其中,用微控制器實現(xiàn)對多位數(shù)碼管的控制就是一個較實用的例子，從教學的角度由易到難讓學生更容易接受。本文從單個數(shù)碼管并行控制、8個數(shù)碼管并行控制、基于單片串行移位寄存器(595d)的串行控制8個數(shù)碼管和基于2片串行移位寄存器的串行控制8個數(shù)碼管等方面介紹該實驗教學案例。

1 單個數(shù)碼管并行控制

在單個數(shù)碼管并行控制實驗中,數(shù)碼管是共陽極數(shù)碼管,控制電路見圖1。數(shù)碼管顯示段Sa—Sh由P2.0—P2.7控制:置 0 亮；置1 滅。比如在數(shù)碼管顯示‘0’,也就是‘a(chǎn),b,c,d,e,f’段亮,需要P2端口輸出11000000B,當程序執(zhí)行P2OUT=11000000B時,CPU通過總線送出地址、數(shù)據(jù)、控制信號,外部電路在這些信號的作用下進行工作。這部分實驗使學生很好地理解指令、信號和外部設(shè)備之間的關(guān)系。

圖1 單個數(shù)碼管并行控制電路

2 8位數(shù)碼管并行控制

在理解單個數(shù)碼管并行控制原理基礎(chǔ)上,實現(xiàn)并行控制8個數(shù)碼管。數(shù)碼管是由2個4位共陽極數(shù)碼管組成,控制電路見圖2。當微控制器的P1.0引腳置1、P1.1—P1.7置時0時,三極管T7導通,數(shù)碼管DIG7的公共端電平為VCC,故DIG7數(shù)碼管亮，三極管T0—T6不通,對應的DIG0—DIG6數(shù)碼管不亮。如果P1.1—P1.7也置1,則8個數(shù)碼管顯示同樣內(nèi)容。實際應用中8個數(shù)碼管分別顯示不同的內(nèi)容,學生剛接觸不知如何控制?？紤]到任一時刻只有1個數(shù)碼管被點亮,另外7個處于滅的狀態(tài),只要在1 s內(nèi),每個數(shù)碼管能循環(huán)顯示30次以上,利用眼睛的視覺停留效果,則感覺上幾個數(shù)碼管在同時顯示。

圖2 并行方式控制數(shù)碼管電路

這種并行方法控制8位數(shù)碼管的方式,需要使用16個微控制器引腳。由于本實驗室選用的微控制器MSP430G2553僅有20個引腳,對外控制只有P1和P2兩個8位端口,共16個I/O引腳；如果選用這種并行方式控制數(shù)碼管,就很難再有多余引腳控制其他外設(shè)。為了解決此問題，考慮采用串行移位寄存器實現(xiàn)對多位數(shù)碼管的串行控制。

3 采用單片串行移位寄存器實現(xiàn)串行控制

串行移位寄存器74HC595d包含8位串行移位寄存器、存儲器和三態(tài)輸出門電路[12],邏輯框圖見圖3。移位寄存器和存儲寄存器分別采用單獨的時鐘。數(shù)據(jù)在SCK的上升沿輸入,而在RCK的上升沿數(shù)據(jù)傳送到存儲寄存器。移位寄存器帶有一個串行輸入SER引腳,一個串行標準輸出(Q7′)引腳(用于級聯(lián)),一個異步的低電平復位端,存儲寄存器有一個8位的、具有

圖3 74HC595d邏輯框圖

三態(tài)輸出的總線,當OE使能時(低電平有效),存儲寄存器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵隹偩€。每當SCK上升沿到來時,SER引腳當前電平值在移位寄存器中左移1位,在下一個上升沿到來時移位寄存器中的所有位都會向左移1位,同時Q7′也會串行輸出移位寄存器中高位值,這樣連續(xù)進行8次,就可以把數(shù)據(jù)中的每一位(8位數(shù))送到移位寄存器；然后當RCK上升沿到來時,移位寄存器的值將會被鎖存到鎖存器里,并從Q1—Q7引腳輸出。

單片串行移位寄存器實現(xiàn)串行控制電路見圖4。圖4中,微控制器的P1端口仍然連接8個三極管,用于選通8位數(shù)碼管,與圖2相同；但控制數(shù)碼管顯示段的電路有所不同,在微控制器P2端口與數(shù)碼管顯示段控制線之間增加了一個8位串行移位寄存器74HC595d,用P2端口中的3個引腳P2.0—P2.2控制。其中,P2.0連接595d的串行數(shù)據(jù)輸入引腳SER,P2.1和P2.2分別連接時鐘引腳SCK和RCK。根據(jù)上述595d的工作原理,在時鐘信號的作用下,從P2.0送出的8位數(shù)據(jù)經(jīng)串行移位寄存器后,從Q0—Q7引腳并行輸出,進而實現(xiàn)對數(shù)碼管8個顯示段的控制。

圖4 單片串行移位寄存器(595d)實現(xiàn)數(shù)碼管串行控制電路

編程時可以參見圖5。假設(shè)控制數(shù)碼管顯示的數(shù)值放在data中。首先判斷data的最高位(BIT7)是否為“0”，如果為“0”,P2.0輸出“0”,否則輸出“1”；然后將data左移1位,以便檢測下一位；隨后P2.1輸出SCK時鐘脈沖,SER引腳當前電平值在移位寄存器中左移1位,在下一個上升沿到來時移位寄存器中的所有位都會向左移1位；如果8位均輸出完畢,則通過P2.2輸出RCK時鐘脈沖,將數(shù)據(jù)傳送到存儲寄存器；否則跳轉(zhuǎn)至判斷data最高位的操作,直至8位均輸出完畢。

圖5 數(shù)碼管串行控制流程圖

采用這種方式,盡管每個數(shù)碼管的選通控制還需要單獨的微控制器引腳,但對數(shù)碼管顯示段Sa—Sh的控制只需要其中3個即可完成。最終,采用11個引腳就可以控制8位數(shù)碼管,剩余5個引腳可用于其他控制。

4 采用兩片串行移位寄存器實現(xiàn)串行控制

上面采用單片移位寄存器的實現(xiàn)方案,雖然可解放P2端口的部分引腳,但在對8個數(shù)碼管進行選通控制時,還是占用了P1端口的8個引腳。為此希望進一步改進電路,實現(xiàn)對數(shù)碼管的選通控制。

實際上,可考慮用74HC595d移位寄存器的輸出引腳Q7′,將2片74HC595d進行級聯(lián),進而實現(xiàn)對8位數(shù)碼管的控制?；谶@種思路的控制電路見圖6。圖6中,對數(shù)碼管顯示段的控制電路與圖3相同,但對8位數(shù)碼管的選通控制電路則由原來的P1端口直接控制,改成了通過一片74HC595d進行控制,并且該片74HC595d的串行數(shù)據(jù)輸入引腳與用于控制數(shù)碼管顯示段的74HC595d的Q7′相連。兩片74HC595d的SHCP和STCP連接在一起,由微控制器的P2.1和P2.2進行控制。

圖6 用2片串行移位寄存器實現(xiàn)數(shù)碼管串行控制電路

在這種級聯(lián)方式中,無論是對數(shù)碼管的選擇,還是對數(shù)碼管顯示段Sa—Sh的控制,均通過P2.0—P2.2 3個引腳即可完成。這就大大解放了微控制器的引腳,更多的引腳可以用于其他方面的控制。

控制程序的編寫也較簡單,首先按位輸出數(shù)碼管要顯示的數(shù)值,然后按位輸出第幾個數(shù)碼管顯示,循環(huán)8次就可以在8個數(shù)碼管上顯示不同的數(shù)值。對數(shù)碼管的選擇以及對顯示段的控制過程與圖5中的控制流程圖基本一致,可參考圖7流程圖編寫相應程序。

實驗平臺是TI公司的MSP-EXP430G2開發(fā)板。編成后下載到MSP-EXP430G2中,按照圖6所示電路進行連接,顯示效果見圖8。

5 結(jié)語

在微控制器控制外設(shè)的教學中,數(shù)碼管顯示實驗是常見內(nèi)容,也是計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課程中綜合實驗項目中的一部分。通過對數(shù)碼管控制方法的學習和實踐,使學生對微控制器的使用,以及并行、串行通信機制的理解有更清晰的認識。本文所設(shè)計的實驗教學案例,激發(fā)了學生做實驗項目的積極性,提高了實驗教學效率。

圖7 2片595d進行級聯(lián)實現(xiàn)數(shù)碼管串行控制流程圖

圖8 實驗顯示效果圖

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Design of teaching experiment based on digital tube display

Jia Yurong，Wang Peng， Qi Shuo

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to deepen the teaching reform of Computer Hardware course，train innovative talents, and adapt to the trend of project-based experiments to cultivate students’ practical ability, a set of digital tube display control experiments is designed. In this experiment, the 8 digital tube parallel and serial controls through the microcontroller are realized, and the circuits are presented. Through the concrete realization of these control methods, the students can get a better understanding of the use of the microcontroller, and the parallel and serial communication mechanism. The experiment can stimulate the students' enthusiasm to do experiments, and help to achieve the good effect of the experimental teaching.

digital tube display; experimental design; microcontroller; parallel control; serial control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.012

2016-07-11

賈玉榮(1972—)，女，北京，工程師，研究方向為計算機硬件技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù).

E-mail：jyrong@mail.tsinghua.edu.cn

TP368.1；G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0043-05