盧潤芝 趙東升 羅金鳴 秦宏

摘 要：近年來半導體技術飛速發(fā)展，集成電路的集成度和性能大幅提高，且成本較低，導致早期的74系列經(jīng)典數(shù)字邏輯電路漸漸淡出了工程應用，因此生產(chǎn)廠家逐漸減少，零售價越來越高。而數(shù)字電子技術理論教學內(nèi)容依然基于經(jīng)典的74系列邏輯電路，使得相應的實驗教學也必須采用相應的集成芯片，造成數(shù)字電子技術實驗室元件采購困難且成本高。于是，設計了基于MCU的經(jīng)典數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MCU為平臺，通過軟件編程實現(xiàn)了多個經(jīng)典數(shù)字電路邏輯功能的模擬。系統(tǒng)體積小巧、成本低廉、便于攜帶、使用方便，可有效降低電子技術基礎實驗室的維護成本，并提高數(shù)字電子技術課程的課堂教學效果。

關鍵詞：MCU;經(jīng)典數(shù)字電路;74系列;邏輯功能模擬;LCD1602;撥動開關;LED

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

目前，數(shù)字電子技術課程的學習內(nèi)容依然基于經(jīng)典的74系列數(shù)字邏輯電路，相應的數(shù)字電子技術實驗也要使用該系列的芯片，但隨著半導體技術的飛速發(fā)展，集成電路的集成度和性能大大提高，且成本很低[1]，導致經(jīng)典的74系列數(shù)字邏輯電路芯片在工程中的使用越來越少[2]，生產(chǎn)廠家也隨之減少，零售價越來越高，使得實驗室的維護成本不斷增加。另一方面，數(shù)字電子技術課程教學往往是理論教學與實驗教學分開進行，不利于學生快速理解數(shù)字邏輯電路和提高工程應用能力。因此，本文利用MCU成本低廉、性能強大的優(yōu)勢[3]，設計了一款基于MCU的經(jīng)典74系列數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)以國產(chǎn)增強型8051系列MCU—STC15W4K32S4為核心[4]，利用撥碼開關控制經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的輸入狀態(tài)，LED燈指示經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的輸出狀態(tài)，構成模擬經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的主體。同時，系統(tǒng)的邏輯功能可由按鍵控制，并通過LCD1602液晶顯示屏顯示系統(tǒng)正在模擬的經(jīng)典數(shù)字邏輯電路型號[5]。系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

撥動開關共8路，分別控制MCU 8個引腳的輸入電平;LED燈共8路，其狀態(tài)受MCU引腳獨立控制，亮表示相應的輸出端為高電平，滅表示相應的輸出端為低電平。按鍵共兩個，一個用于切換MCU的工作狀態(tài)，使之模擬多個經(jīng)典數(shù)字邏輯電路;另一個按鍵用于模擬時序邏輯電路的時鐘脈沖。

此外，硬件系統(tǒng)中加入了基于CH340的串口轉(zhuǎn)USB電路[6]，并且使用比較流行的Micro USB接口[7]，系統(tǒng)的供電和程序的下載均可通過一條主流智能手機的數(shù)據(jù)線來完成，進一步降低了成本，提高了便攜性。

2 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)所涉及的邏輯功能利用C語言編程實現(xiàn)，在Keil軟件中完成代碼的編譯與調(diào)試[8]。系統(tǒng)在一個硬件平臺上，通過軟件編程實現(xiàn)了多個經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路的功能模擬，見表1所列。

由表1可知，系統(tǒng)既實現(xiàn)了簡單的組合邏輯電路，又實現(xiàn)了復雜的時序邏輯電路，涵蓋了數(shù)字電子技術課程中主要數(shù)字電路型號。MCU具有32 KB的片上FLASH ROM和

4 KB片上RAM，屬于增強型51系列MCU，在現(xiàn)有邏輯功能的基礎上，仍可繼續(xù)增加軟件代碼，以實現(xiàn)其他

功能。

3 程序設計

在搭建好的硬件平臺上進行軟件編程以實現(xiàn)所需功能：

（1）MCU上電后初始化，在LCD1602上顯示開始信息;

（2）系統(tǒng)實時檢測選擇按鍵的狀態(tài)，隨時準備切換功能;

（3）功能選定后，MCU將按照規(guī)劃好的引腳分配相應的軟件代碼，實現(xiàn)對應數(shù)字電路的邏輯功能。

3.1 組合邏輯電路的實現(xiàn)

基本邏輯門、譯碼器和數(shù)值比較器等屬于組合邏輯電路。組合邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關。采用掃描方式實現(xiàn)組合邏輯電路。MCU不斷讀取撥動開關陣列的電平狀態(tài)，經(jīng)MCU運算轉(zhuǎn)換后，將結果通過LED燈實時顯示。

3.2 時序邏輯電路的實現(xiàn)

觸發(fā)器、計數(shù)器等屬于時序邏輯電路。時序邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，或者說，還與以前的輸入有關，并且時序邏輯電路狀態(tài)的改變發(fā)生在CP信號的跳變沿[9]。采用外部中斷方式實現(xiàn)時序邏輯電路，使用CCP捕獲功能檢測跳變沿[10]。實現(xiàn)時序邏輯電路時，MCU保存上一次跳變沿時的系統(tǒng)狀態(tài)，下一次跳變沿到來后，由已保存的上一次狀態(tài)與當前輸入狀態(tài)共同決定當前時刻的輸出，并將結果通過LED燈直觀顯示。

4 結 語

本文設計的經(jīng)典74系列數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)在同一個以MCU為核心的硬件平臺上，可實現(xiàn)多款經(jīng)典數(shù)字電路的邏輯功能，并且可根據(jù)實際需求隨時通過軟件編程修改系統(tǒng)功能，以完成對所需邏輯電路的模擬。該系統(tǒng)可有效降低高校電子技術基礎實驗室的維護成本。此外，該系統(tǒng)體積小巧，可隨身攜帶，便于在理論課的課堂中同時進行理論學習和實驗研究。

參 考 文 獻

[1]曹燦華.低壓差穩(wěn)壓器PSRR提高技術的研究與設計[D].成都：電子科技大學，2016.

[2]徐玉麟.用PAL設計邏輯電路[J].電子技術，1991（2）：24-28.

[3]宋超，楊哲銘，孫世鵬，等. 基于STC12單片機的智能臺燈設計[J].電腦知識與技術，2017（29）：155-156.

[4]馬昭.數(shù)字式低壓正弦波變頻電源研究與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2018，33 （2）：93-96.

[5]張建民，郭伙令，龍佳樂，等. 基于單片機的智能SMS心率計設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（6）：148-150.

[6]盧志浩，吳維華，雷菊陽.基于LabVIEW和單片機的稱重信號采集[J].電氣自動化，2017，39（1）：104-106.

[7]金國鋒.通過Micro-USB接口提供充電和多種信號連接[J].電子設計應用，2010，8（z1）：52-54.

[8]淡海英，楊聰.基于單片機控制的十字路口交通燈設計與分析[J].電子測試，2017（13）：9.

[9]王龍軍.基于可編程器件的數(shù)字電路實驗教學改革初探[J].工業(yè)和信息化教育，2018（9）：53-56.

[10]盛華.對單片機在電子領域當中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（24）：242.