第一篇 Mini51单片机CPLD实验板介绍

图 5(a) RS232 电路图
5(b) 232PCB 实物图
4、 单片机 P1 口扩展电路
单片机 P1 口带锁存功能，编程容易。Mini51 板上 P1 口被 LED、蜂鸣器、继电器、串行 AD/DA 复用，
除 LED 直接与 P1 相连外，其它都可以断开，只在需要用时连接。LED 电路如图 6(a)所示，低电平点亮，
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图 1 Mini51 板结构图 单片机选 STC89C5X，该系列单片机内部集成 MAX810/STC810 专用复位电路，内置看门狗，超强抗 干扰，轻松过 2KV/4KV 快速脉冲干扰（EFT），加密性强，STC89C52RC～STC89C58RD+系列与 Intel 8051 管脚兼容，宽电压，5.5V～3.4V 给复位信号后能正常工作，PQFP-44，PLCC-44 封装有 P4 口。STC89C51RC 有 3 个定时器/计数器，1280 字节大容量内部数据 RAM ，特别是该系列单片机支持 ISP 编程，开发无需 高价的编程器，可实现远程升级，在 ISP 下载编程时可设置 6 或 12 时钟/机器周期模式，在 6 时钟模式， 比普通 51 速度快一倍。 CPLD 有两种型号可选，ALTERA 的 EPM7064 和 ATMEL 的 ATF1504。
VCC
R2 10
2 D1
P10 R15 10k
4148
Bell
Q1 S8550
图 6(c) 蜂鸣器
Mini51 板 Proteus 仿真版介绍
仿真版基于 Proteus7.12 仿真环境，如图 7 所示，该仿真版集成了单片机最小系统、字符 LCD1602、 点阵 LCD12864、数码管、发光二极管、DS1302、RS232 接口、蜂鸣器、DS18B20 和 CPLD 扩展。在实际 使用时，可以根据需要对电路进行裁剪。目前已经开发出大量应用范例，在仿真板和实物板上取得一致的 运行效果。Proteus 与 Keil 配合使用，单片机学习更是得心应手。
因为 51 系列单片机 P1 口靠内部上拉电阻输出高电平，所以一般不用 P1 口输出高电平驱动 LED，外部限
流电阻 R12 不宜太小，否则会影响到 P1 口状态，为以后 P1 口扩展留下隐患，如果用贴片发光二极管，
R12 甚至可以为 4.7k。
VCC R12 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2.2kX8
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图 9 STC 单片机 ISP 下载软件界面图 ISP 下载步骤：①选择单片机型号；②加载 hex 文件；③设置串口，波特率一般选默认值；④STC 单 片机系统时钟和特殊功能设置，这里的设置在下一次冷启动有效；⑤执行下载和下载选项，点击下载按钮 后，关断电源重新启动，进入 ISP 程序下载过程，程序下载完成后，会自动运行用户程序。只要单片机最 小系统和 232 电平转换电路没有故障，操作以上 5 步就完成了程序下载操作。为了匹配串口通信波特率， 建议单片机系统晶振选择 11.0592M 或 22.1184M，这样波特率无误差，程序下载容易成功。 下载操作——“冷启动”，为了启动单片机内部下载引导程序，单片机系统需要掉电再上电启动，称 为冷启动，和带电“复位”启动是不一样的，单片机内部有功能电路，保证带电复位后直接运行用户程序 而不受下载引导程序的“干扰”，保持单片机的一般性。运行 PC 机软件后，执行“下载”操作后，单片机
图 7 Mini51 板仿真版 其中 CPLD 为子电路模块，电路如图 8 所示，主要完成单片机扩展接口设计，包括低 8 位地址锁存单 元 U2，4-16 地址译码单元 U3、U9，带编址的 LCD 使能控制单元 U10、U11，统一编址的数码管显示缓 冲寄存器单元 U5-8，相关电路的详细讲解将在以后连载中陆续介绍。
IO IO IO IO
40 39 37 36
IO IO IO IO IO IO IO IO
8 5 11 12 9 6 4 14
IO IO IO IO IO IO
33 34 31 29 28 27
22 VSS
13 32 38 7
15 23 35 3
42 30 22 10
24 25 26 27 28 29 30
笔者在单片机和 EDA 实验教学中，通过几年的积累，设计出一款单片机加 CPLD 实验板，将单片机 与 CPLD 有机结合在一起，构建以单片机为主，CPLD 为辅的电路系统设计方案，打造出可以背在书包里 的单片机 CPLD 学习板——Mini51 板。
Mini51 板概述
Mini51 板体积小巧（11×8×1 厘米），适合学生随身携带，只要 PC 机加两线（串口线+USB 线）就可 以做硬件实验了，特别适合大专院校学生自主学习用。
CAP 2- CAP 1-
C104 14
GND 13
RT-OUT1 T-IN1 RR-IN1 R-OUT1
8 7
RR-IN2 R-OUT2 RT-OUT2 T-IN2
MAX202
C13 C104 16
2 1
C19 3
C104 11 12 GND
9 mcu_rxd 10 mcu_txd
10 11
J11
R4
VCCin
4R7
S1
VCC
R14 4.7k
C5 220uF
图 4(b) 电源电路图 3、 RS232 接口电路 232 接口电路实现实验板 TTL 到 PC 机 232 电平转换，转换 IC 选用美信公司的 Max202 芯片，较常用 Max232，外围电容可以使用贴片 104 无极性电容而不需要 10uF 电解电容实，电路如图 5(a)所示，PCB 硬 件如图 5(b)所示，选择贴片封装大大节省 PCB 面积。该 232 串口电路肩负 ISP 下载通讯任务，出故障常常 导致单片机不能下载程序。
VCC 44
20 21
32 35 10
U1
23 34 1 12
P4.0 P4.1 P4.2/INT3 P4.3/INT2
11 13 14 15 16 17
P3.0/RxD P3.1/TxD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1
2 3 4 5 6 7 8 9
P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
43 42 41 40 39 38 37 36
P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07
P3.7/RD P3.6/WR
ALE P2.7/A15
19 18 33 31
P37 P36 ALE P27
U6
16 41
IO IO
17 18 19 20 21 24 25 26
IO IO IO IO IO IO IO IO
PSEN EA/VPP
RST
STC89C5X
P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14
XTAL2 XTAL1
P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7
STC 单片机出厂时内部已有引导码了，配合 PC 机程序，就能够把用户程序（Keil 编译得到的*.hex 文 件 ） 通 过 串口 写 入 单 片机 内 部 FLASH 中 ， 并 自 动 从 引 导程 序 跳 转 到用 户 程 序 运行 。 ISP 软 件 为 stc-isp-v3.9.exe，运行界面如图 9 所示，技术支持网站：宏晶科技 。
EPM7064SLC44-10
44 2 43 1
IN/OE1 IN/OE2/GCLK2 IN/GCLK1 IN/GCLRn
GND GND GND GND
VCCINT (5.0 V) VCCINT (5.0 V) VCCINT (5.0 V) VCCINT (5.0 V)
TMS/IO TCK/IO TDO/IO TDI/IO
MiD 接口电路 单片机与 CPLD 接口采用总线方式，电路如图 2 所示，数据总线 P0 口与 CPLD 一般 IO 相连，控制总 线 P3.6（WR）、P3.7（RD）、ALE 及地址总线 P2.7（A15）与 CPLD 全局输入引脚相连，从而实现单片机 对 CPLD 的读写控制，其中 ALE 为 CPLD 提供时钟信号。PCB 实物图如图 3 所示，单片机和 CPLD 都选 择 PLCC-44 脚封装，占用 PCB 面积小，更换容易。
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1 6 2 7 3 8 4 9 5
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
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C11
VCC
C17 15
C104 6 4
C18 5
C104 U3
GND
VCC
CAP- CAP + CAP 2+ CAP 1+
系统结构如图 1 所示，该板采用单片机+CPLD 结构，单片机为主，CPLD 为辅。与单片机相连的模块 有：P1 口接发光二极管、蜂鸣器、继电器、AD/DA，P4 口（STC 单片机 PLCC-44 封装特有）接实时时钟 DS1302、红外接收器，P3 口接 232 电平转换电路和 4 个按键，单片机 P0 口和 P2 口以及 P3.6、P3.7 作为 总线使用，CPLD 直接驱动 4 位数码管，并给 LCD 提供使能信号，单片机和 CPLD 引脚分别有扩展接口， 板上集成 5V 稳压电源，可以外接 DC9V 电源，也可以从计算机 USB 口直接取 5V 电源。
图 2 单片机与 CPLD 接口电路图
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图 3 PLCC-44 封装的单片机和 CPLD 关于单片机总线接口方式，请参考文档《基于 CPLD 的单片机接口设计》、《51 系列单片机总线时序分 析与编址技术》。 2、 电源电路 该板提供两种供电方式，一种从接口图 4(a)③输入 DC 9V 电源，板上集成 7805 稳压 IC，采用贴片封 装，如图 4(a)④所示，也可以从接口图 4(a)②通过计算机 USB 接口取电。图 4(a)①按钮为常闭开关，用来 断开电源实现冷启动用。
VCC
1 2 3
N4148
Relay
1
S8550 Q2
2 3
R2 4.7k
P12
图 6(b) 继电器 蜂鸣器电路如图 6(c)所示，通过跳线图 6(c)②与 P10 相连，不用时可以断开。图 6(c)①为有源蜂鸣器， 接通 5V 电就会发声，单片机 P10 做开关控制，低电平开启。
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第一篇 Mini51 单片机 CPLD 学习板介绍
单片机技术涉及自动控制，信息处理，人工智能等多领域，极具挑战和诱惑，是一门实用技术。而单 片机学习门槛较高，涉及单片机硬件、软件知识，同时还要掌握几种软硬件工具平台，初学者要想快速入 门单片机领域，往往需要一个好的硬件平台和大量生动的学习范例。另外随着电子技术的不断发展，大规 模集成电路的运用越来越普遍，用 CPLD/FPGA 来开发新产品是电子技术发展必然趋势。
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图 8 Mini51 板仿真 CPLD 原理图
开发环境介绍
单片机开发，推荐使用 Keil 平台和 C 语言，推荐入门教材：来自磁动力工作室《51 单片机 C 语言入 门教程》。在 Keil 环境创建工程，设计程序，编译得到单片机代码*.hex 文件，然后使用 STC 单片机 ISP 软件，将 hex 文件下载到单片机 FLASH 中，运行程序，观察结果。
LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8
图 6(a) LED 电路 该板还设计了继电器电路，通过继电器容易实现弱电到强电的开关控制，电路如图 6(b)所示，通过跳 线图 6(b)③P12 控制，不用时请断开，图 6(b)中 IN4148 为继电器线圈续流用二极管，特别重要。图 6(b) ①为直流 5V 驱动双联动继电器，用螺栓接线柱图 6(b)②扩展接口。
图 4(a) 电源 PCB 实物图 电路如图 4(b)所示，其中 D3 用来防止电源极性接反，R4 为 4.7 欧电阻，这里起保护作用，防止实验 板短路，损坏计算机 USB 接口。
J4 PWR2.5
VCC9
2
U5 LM7805 1 IN OUT 3
GND D3 4007
USB
VBUS DD+
GND
1 2 3 4