基于ATmega8单片机多功能实验仪设计

摘要：提出一种单片机多功能实验仪的设计方法，该方法利用ATmega8单片机的在线自编程Flash和片载外围接口电路等资源优势，克服了传统51系列芯片的资源有限、低性能等应用弊端，提高了单片机实验仪的性价比，使单片机实验开发系统更简单、轻便、易于更新和升级。在实际的教学和科研使用中取得了良好的效果。
关键词：ATmega8；单片机；多功能实验仪；PWM；扩展模块

O 引言
    由于嵌入式系统应用技术的不断发展，对于核心处理器性能的要求越来越高，一些传统的51系列控制芯片已经难以胜任许多复杂的任务。因此，我们通过调研分析，自行开发了一套基于ATmega8高性能系列单片机的实验开发系统。ATMEL公司的ATmegs8单片机是一种具有独特结构的8-bit RISC CPU，其在线自编程Flash和单时钟指令，为C语言、Basic语言优化的指令系统设置，以及丰富的片载外围接口电路，使功能强大的ATmegs8单片机成为一款高度灵活和高性价比的芯片，为许多高端嵌入式系统设计提供了优秀的解决方案。

1 系统总体设计
    单片机多功能实验仪硬件的总体设计原理框图如图l所示：

    单片机实验开发应用系统中ATmega8 MCU核心模块通过RS-232与PC上位机进行通信，充分利用PC机的资源。电源部分采用USB与PC机进行连接，采用上位机的电源。另外，该实验开发系统设计有下载器，只需一条下载线即可开始工作，不需购买昂贵的编程器，使用方便，节约了成本。可以保证实验系统具有较高的性价比。
    在实验软件上，既可以使用C语言也可以使用BASCOM-AVR编程软件。BASCOM-AVR编程软件为开发AVR单片机提供了功能强大、简洁方便的软件平台，其与QB高度兼容的BASIC语言易懂好学；功能齐备的硬件仿真平台，使单片机的学习、实验、开发，显得简单、容易而富有乐趣，许多设计在计算机仿真中就可得知结果。有了BASCOM-AVR，使大规模地推广普及AVR单片机成为可能，为许多高端嵌入式系统设计提供了优秀的解决方案。[!--empirenews.page--]

2 硬件电路的设计
2．1 CPU模块的设计
    ATmegs8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机。ATmegs8内部集成有丰富的硬件接口电路，2个具有比较模式的预分频器(Separate Prescale)的8位定时／计数器。1个预分频器(Separat Prescale)，具有比较和捕获模式的16位定时／计数器，1个具有独立振荡器的异步实时时钟(RTC)，3个PWM通道，可实现任意<16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出，8通道A／D转换(TQFP、MLF封装)，6路10位A／D+2路8位A／D，6通道A／D转换(PDIP封装)，4路10位A／D+2路8位A／D，1个I2C的串行接口，支持主／从、收发四种工作方式，支持自动总线仲裁，1个可编程的串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别，1个支持主／从(Master／Slave)、收／发的SPI同步串行接口，带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。围绕核心芯片所设计的CPU模块如图2所示。

    图中的复位电路RESET有二种选择：外部复位，J10必须插上短路块；或PC6作I／O口用，J10拔出短路块。
    图中的晶振电路XTAL1和XTAL2分别是片内振荡器的反向放大器的输入、输出端，外接一个晶体振荡器，通过对熔丝位CKOPT编程和设定C9、C10的取值范围(12μm～22 μm)使ATmega8有较宽的工作频率范围(3．O MHz～8．0 MHz)。晶振有两种选择：外接8 MHz无源晶振，(也可外接8 MHz有源晶振，当外接无源晶振不能起振时，用有源晶振就能解决问题，超频也能起振)，或用内部RC振荡器。当J11与J12插上短路块时，为用外接无源晶振；当J11与J12不插短路块时，则用ATmega8内部振荡器。
    另外，模块还设计有JTAG接口和ISP编程接口(ISP即in-System Programmable)。JTAG接口可以通过下载器将单片机与微型计算机的并行接口连接。ISP编程接口是在线下载或读取芯片内部程序时用的，各引脚的含义如图3所示。其中l脚与ATmega8的PB3连接。4、6、8、lO接地，5脚与ATmega8的PC6连接，7脚与ATmesa8的PB5连接，9脚与ATmega8的PB4连接。

2．2 下载器模块
    下载器由接口板和连接电缆组成。接口板的原理图见图4。图中U201是8缓冲器74HC244电路，用作计算机并口和单片机的缓冲隔离。连接器CN202是通用的DB25针插头，与上位机连接，进行通信；其中4、5脚控制U201芯片，在其低电平时允许数据正常传输，高电平时74HC244的输出呈高阻状态；7脚输出数据到单片机；6脚是时钟信号；9脚是输出复位信号；10脚是接收从单片机读出的数据。下载电缆采用10芯扁平电缆，两头压有IDC插头。一端接下载器，另一端接最小系统板上的ISP口JP1。[!--empirenews.page--]

2．3 实验仪其他电路设计
2. 3. 1 A／D转换电路
    图5为A／D转换电路，ATmega8内部有一个1O位精度的A／D转换器，其精度是±2LSB，非线性度为O．5 LSB，转换时间为65μs～260μs，PC0～PC3模拟输入通道的转换精度是10位，PC4～PC5模拟输入通道的转换精度是8位，本实验仪使用PC5输入，参考电压Vref采用芯片内部提供的参考电压，在外部用电容C5和C6将引脚接地可以提高ADC部分的抗干扰能力。通过调节W1可以改变输入的电压。CZ4为外部A／D转换接口。

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2．3．2 LED显示与脉宽调制电路
    为了配合学生基本I／O口设计要求，在实验仪上扩展有LED／LCD显示接口电路和脉宽调制电路，如图6所示。
    脉宽调制电路利用ATmega8单片机的一个输出端子OC2，是PB3引脚的第二功能，可以作为比较匹配输出或PWM输出。在实验板上将跳线器J6断开即是PWM的输出。该输出的PWM除了可以直接驱动直流电动机的PWM驱动信号，还可以经过RC平滑滤波用做数字量／模拟量转换。另外，使用PWM驱动，功率半导体器件的功耗大大低于模拟信号驱动。
2．3．3 I2C电路和串行接口的设计
    I2C电路为由AT24C02芯片与串行TWI总线(PC4、PC3)连接形成的。其中PC4为SCL时钟线，PC2为SDA数据线，通过AT24C02芯片形成I2C总线器1／4(图略)。串行接口电路分为与PC机的通信接口和两个单片机之间的通信接口，见图7中的CZ3(CON3单片机串行通信接口)和CZ4(CON2单片机与PC机串行通信接口)。CZ2是RS232接口，可做PC机与ATmega8的异步串行UART通讯用，可把PC机屏幕作为用户显示终端使用，可充分利用PC机资源。

    在使用该接口与微机进行通信时使用RS-232接口线，RS-232属于单端信号传送，适应于短距离或带调制解调器的通讯场合。
    经过以上电路的设计，根据电路原理完成的PCB板的制作，焊接相应元器件并进行调试后形成的实验仪硬件开发板如图8所示。

3 BASCOM-AVR集成开发软件
    ATMEL公司的AVR系列单片微控制器是基于新的精简指令RISC结构的，其开发目的就是在于能采用高级语言编程，从而能高效地开发出目标产品。目前国际上已有许多公司推出了C、Basic等基于高级程序设计语言的AVR开发软件和平台。基于ATmega8的实验开发板上使用以BASIC
语言为手段开发平台一BASCOM-AVR。它的程序设计简洁、方便，专用的面向各种通用接口，且具有功能强大的语句，实物图形化的仿真平台等特点，配合AVR单片微控制器程序存储器可多次编程在线下载的优点，使学习和使用AVR单片微控制器变得十分容易。

4 总结与展望
    基于ATmega8单片机实验仪上集成了LCD液晶显示模块、LED数码管显示模块、键盘模块、A／D和D／A转换模块、通用I／O接口模块、通讯接口模块等常用实验模块，利用AVR单片机开发实验基本系统，可以完成一些基本的实验，满足学生基本实验的要求；同时板间预留有可扩展的空间以满足学生进行创新设计、综合课程设计、课外科技活动和毕业设计等课程的实践训练活动要求，该实验系统经机电专业07级、08级，电子技术07级08级学生的试用，效果较为显著。不但实现了将实验室搬进寝室，而且激发了学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和创新能力，为今后快速适应工作岗位打下坚实的基础。