一種基于forth的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的制作方法
【專利摘要】一種基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，由與固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片相連接的鎖存器芯片、SRAM芯片、TTL轉(zhuǎn)RS232芯片、USB轉(zhuǎn)串口芯片、SD或U盤讀寫接口插座、總線擴(kuò)展插座、ADC或GPIO接口插座、GPIO接口插座，以及與TTL轉(zhuǎn)RS232芯片相連接的RS232接口插座和與USB轉(zhuǎn)串口芯片相連接的USB接口插座組成，通過連接PC或串口終端以及擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K或應(yīng)用模塊，構(gòu)成51單片機(jī)交互式教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)環(huán)境，在PC或串口終端上采用FORTH高級(jí)語言和FORTH匯編語言交互式地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用軟件編程、在線編譯、在線運(yùn)行和調(diào)試及軟件固化，開展51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用開發(fā)。
【專利說明】—種基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，屬嵌入式計(jì)算機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]51單片機(jī)自出現(xiàn)以來已取得了長足的發(fā)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，小到電子玩具，大到航空航天技術(shù)等電子行業(yè)都有51單片機(jī)應(yīng)用的影子。針對(duì)51單片機(jī)技術(shù)在電子行業(yè)自動(dòng)化方面的重要應(yīng)用，為滿足廣大學(xué)生、愛好者、產(chǎn)品開發(fā)者迅速掌握單片機(jī)技術(shù)，出現(xiàn)眾多的51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)板。雖然現(xiàn)在16位32位的單片機(jī)越來越多，而51單片機(jī)作為8位單片機(jī)中的經(jīng)典之作，在過去和將來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，都將是各大高校相關(guān)專業(yè)必修課程之一。
[0003]FORTH語言作為一種交互式、具有簡單性哲學(xué)思想的計(jì)算機(jī)編程語言和環(huán)境，已被證明適合于在中小規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，往往作為國外大公司競爭系統(tǒng)開發(fā)周期、生產(chǎn)成本和系統(tǒng)可靠性的秘密武器之一，被廣泛應(yīng)用于天文、軍事、航空、航天、工業(yè)自動(dòng)化、圖形、儀器儀表、工作站等領(lǐng)域。但在我國長期以沒有得到重視，在高校中也鮮有開設(shè)FORTH課程的實(shí)例。
[0004]在51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板與開發(fā)板的教學(xué)實(shí)驗(yàn)或者是應(yīng)用軟件開發(fā)中，以往的實(shí)驗(yàn)或開發(fā)過程通常是:針對(duì)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)目標(biāo)，在開發(fā)PC上，采用51匯編語言或C語言編寫源程序，然后通過51匯編程序編譯工具或C51程序編譯工具，將匯編程序源碼或C程序源碼進(jìn)行編譯、鏈接，生成51單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器碼，利用專門的下載編程器，將機(jī)器碼下載到51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板與開發(fā)板中，然后開始實(shí)驗(yàn)調(diào)試或運(yùn)行。在調(diào)試或運(yùn)行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)程序存在問題，則又需要返回修改51匯編程序源碼或C語言程序源碼，修改完畢后，再次進(jìn)行編譯、鏈接、下載和運(yùn)行，如此反復(fù)，直到實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)為止。在進(jìn)行較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)或開發(fā)較為復(fù)雜的應(yīng)用軟件時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)過程往往需要進(jìn)行多次反復(fù)。此外，在軟件調(diào)試過程中，通常需要進(jìn)行單步調(diào)試或斷點(diǎn)調(diào)試，這就需要專門的仿真器來支持。因此，這種教學(xué)實(shí)驗(yàn)板與開發(fā)板以及實(shí)驗(yàn)與開發(fā)方式使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)過程繁瑣和效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，能夠不依賴傳統(tǒng)的51匯編或C51源碼編寫、編譯，編程器下載，仿真器調(diào)試的方式，而是通過基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板連接一臺(tái)運(yùn)行終端仿真軟件的PC或一個(gè)串行終端，在此PC或終端上以交互方式進(jìn)行FORTH高級(jí)語言、FORTH匯編語言的編程、在線調(diào)試、運(yùn)行以及程序固化，不再需要51匯編工具和C51編譯工具以及下載編程器和仿真器，能夠有效提升實(shí)驗(yàn)與開發(fā)效率。
[0006]基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由I片具有雙串口并固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片、I片8位鎖存器芯片、2片32Kx8位SRAM芯片、I片雙路TTL轉(zhuǎn)RS232芯片、I片USB轉(zhuǎn)串口芯片、I個(gè)SD或U盤讀寫接口插座、I個(gè)總線擴(kuò)展插座、I個(gè)USB接口插座、2個(gè)RS232接口插座、I個(gè)ADC或GPIO接口插座、以及I個(gè)GPIO接口插座等元器件組成。
[0007]51單片機(jī)的PO 口數(shù)據(jù)及地址復(fù)用總線經(jīng)一片鎖存器芯片分離出獨(dú)立的8位數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線，與P2 口高8位地址總線、讀寫控制線一起連接2片SRAM芯片，構(gòu)成擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)空間。
[0008]8位數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線及由51單片機(jī)GPIO信號(hào)線構(gòu)成的片選信號(hào)線以并行數(shù)據(jù)方式連接至I個(gè)SD卡或U盤讀寫接口，可通過外接I個(gè)SD卡或U盤讀寫模塊,構(gòu)成外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。51單片機(jī)的SPI信號(hào)線和UART2信號(hào)線通過跳線與SD卡或U盤讀寫接口相連接，提供2種可供選擇的串行數(shù)據(jù)方式操作SD卡或U盤讀寫模塊。
[0009]8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、讀寫控制線以及由51單片機(jī)GPIO信號(hào)線構(gòu)成的片選信號(hào)線一起連接至I個(gè)總線擴(kuò)展接口插座，構(gòu)成總線擴(kuò)展接口，用于連接其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K或應(yīng)用模塊。
[0010]51單片機(jī)的UARTl和UART2兩個(gè)串口信號(hào)線經(jīng)I片雙路TTL轉(zhuǎn)RS232芯片后連接至2個(gè)RS232接口插座。同時(shí)，UARTl串口信號(hào)線還經(jīng)I片USB轉(zhuǎn)串口芯片后連接至I個(gè)USB接口插座。選擇使用RS232接入U(xiǎn)ARTl還是使用USB接口接入U(xiǎn)ARTl通過跳線進(jìn)行選擇。
[0011]51單片機(jī)的ADC或GPIO復(fù)用信號(hào)線連接至I個(gè)ADC或GPIO接口插座，構(gòu)成模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入接口或通用輸入輸出接口。同時(shí)，51單片機(jī)的其它GPIO信號(hào)線連接至I個(gè)GPIO接口插座，構(gòu)成通用輸入輸出接口。
[0012]51單片機(jī)的FLASH程序存儲(chǔ)器中固化有51F0RTH基本系統(tǒng)。
[0013]基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的工作過程為:通過RS232接口 I或USB接口連接至運(yùn)行終端仿真程序的PC或串口終端，當(dāng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板上電后，固化有51F0RTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)從自身FLASH中啟動(dòng)51基本系統(tǒng)，在PC或終端上顯示出FORTH文本操作界面，用戶可以在此界面上進(jìn)行交互式操作，直接運(yùn)行FORTH基本系統(tǒng)已有的FORTH程序；在文本界面下直接編寫FORTH高級(jí)語言程序和FORTH匯編程序；通過終端仿真軟件導(dǎo)入FORTH源碼文件；從外接的SD卡或U盤介質(zhì)上讀入FORTH源碼文件；編譯從終端直接輸入或?qū)爰虞d的FORTH程序；在線調(diào)試FORTH程序；運(yùn)行FORTH程序；通過IAP方式固化FORTH程序；最后，撤出PC或串口終端，51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板在上電后，能夠脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行FORTH程序。
[0014]本實(shí)用新型的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，通過交互方式進(jìn)行FORTH高級(jí)語言程序的在線編程、調(diào)試、運(yùn)行與固化操作，可以在51單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)與嵌入式應(yīng)用開發(fā)中，快速而有效地達(dá)到實(shí)驗(yàn)與開發(fā)目的，提高實(shí)驗(yàn)與開發(fā)效率。同時(shí)，本實(shí)用新型具有改變51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方式，推動(dòng)高校51單片機(jī)課程與FORTH課程教學(xué)，促進(jìn)FORTH在嵌入式領(lǐng)域推廣應(yīng)用的有益效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型的硬件原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)與開發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)示意圖。[0017]圖3是本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)與開發(fā)過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本實(shí)用新型的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板由I片具有雙串口并固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2U片8位鎖存器芯片 74HC573、2 片 32Kx8 位 SRAM 芯片 IS62C256、I 片雙路 TTL 轉(zhuǎn) RS232 芯片 ΜΑΧ3232、I 片 USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G、I個(gè)SD或U盤讀寫接口插座、I個(gè)總線擴(kuò)展插座、I個(gè)USB接口插座、2個(gè)RS232接口插座、I個(gè)ADC或GPIO接口插座、以及I個(gè)GPIO接口插座組成，其中:
[0019]固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2通過PO 口與鎖存器芯片74HC573的輸入相連接，分離出獨(dú)立的8位數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線，與固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的P2 口高8位地址總線、讀寫控制線一起連接至2片32Kx8位SRAM芯片IS62C256，構(gòu)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)空間，提供給FORTH基本系統(tǒng)使用以及緩存用戶程序和數(shù)據(jù)。
[0020]上述8位數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線及由固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的GPIO信號(hào)線構(gòu)成的片選信號(hào)線以并行數(shù)據(jù)方式連接至SD卡或U盤讀寫接口插座，能夠根據(jù)需要外接I個(gè)SD卡或U盤讀寫模塊，構(gòu)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，提供外部FORTH源碼程序文件存儲(chǔ)或應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的SPI信號(hào)線和UART2信號(hào)線通過跳線連接至SD卡或U盤讀寫接口插座，提供串行數(shù)據(jù)方式的SPI總線和串口線操作SD卡或U盤讀寫模塊的選擇。
[0021]固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、讀寫控制線以及GPIO信號(hào)線構(gòu)成的片選信號(hào)線一起連接至總線擴(kuò)展接口插座，構(gòu)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的總線擴(kuò)展接口，用于連接各種實(shí)驗(yàn)?zāi)K或應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或應(yīng)用目標(biāo)。
[0022]固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的UARTl和UART2兩個(gè)串口信號(hào)線經(jīng)雙路TTL轉(zhuǎn)RS232芯片MAX3232后連接至2個(gè)RS232接口插座，提供2個(gè)RS232接口，用于連接PC或終端以及外部串口設(shè)備。同時(shí)，固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的UARTl串口信號(hào)線還經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G后連接至USB接口插座，提供I個(gè)USB接口，用于連接PC。根據(jù)實(shí)際需要，能夠通過跳線來選擇使用RS232接入U(xiǎn)ARTl還是使用USB接口接入U(xiǎn)ARTI。
[0023]固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的ADC或GPIO復(fù)用信號(hào)線連接至ADC或GPIO接口插座，構(gòu)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入接口或通用輸入輸出接口，提供模擬信號(hào)輸入或作為數(shù)字信號(hào)輸入輸出，通過應(yīng)用軟件來控制選擇。同時(shí)，固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2的其它GPIO信號(hào)線連接至GPIO接口插座，構(gòu)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板的數(shù)字信號(hào)輸入輸出接口，通過應(yīng)用軟件來控制選擇。
[0024]51單片機(jī)芯片IAP15F2K61S2內(nèi)部具有61K的FLASH程序存儲(chǔ)器，地址分配如下表所示。
[0025]表1 IAP15F2K61S2單片機(jī)FLASH程序器地址分配表
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，其特征在于由與固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)芯片相連接的鎖存器芯片、SRAM芯片、TTL轉(zhuǎn)RS232芯片、USB轉(zhuǎn)串口芯片、SD或U盤讀寫接口插座、總線擴(kuò)展插座、ADC或GPIO接口插座、GPIO接口插座，以及與TTL轉(zhuǎn)RS232芯片相連接的RS232接口插座和與USB轉(zhuǎn)串口芯片相連接的USB接口插座組成。
2.如權(quán)利要求1所述的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，其特征在于51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板能夠連接PC或串口終端以及擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K或應(yīng)用模塊，構(gòu)成51單片機(jī)交互式教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)交互式FORTH高級(jí)語言和FORTH匯編語言的編程、編譯、運(yùn)行、調(diào)試及軟件固化。
3.如權(quán)利要求1所述的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，其特征在于51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板具有RS232接口和USB接口，能夠通過RS232接口連接PC或串口終端，也能夠通過USB接口連接PC。
4.如權(quán)利要求1所述的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，其特征在于51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板能夠通過所述SD或U盤讀寫接口插座連接SD或U盤讀寫模塊，存取SD卡或U盤介質(zhì)上的FORTH高級(jí)語言和FORTH匯編語言源程序。
5.如權(quán)利要求1所述的基于FORTH的交互式51單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與開發(fā)主板，其特征在于所述固化FORTH基本系統(tǒng)的51單片機(jī)采用具有在應(yīng)用編程IAP功能的51單片機(jī)。
【文檔編號(hào)】G09B23/18GK203480740SQ201320563024
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】周永錄, 楊為民, 代紅兵, 王麗清, 安紅萍, 楊艷華 申請(qǐng)人:云南大學(xué)