ISP实验仪

(一)技术领域：本实用新型涉及电子技术教学仪器，特别是一种ISP (在系统编程)实验仪。

(二)背景技术：目前大专院校电子信息类专业常用同类产品有EDA(电 子设计自动化)实验仪或称EDA(电子设计自动化)实验平台。在教学使 用中我们发现存在以下缺点：1.缺少电气保护措施，实验中误操作易损 坏仪器，2.下载配置模块不合理，JTAG接口一般直接与PC机插接，实验 中需要较长的编程电缆(而该电缆一般不能超过1.5米)，给使用带来不 方便，3.使用普通按键，输出有抖动现象，无法产生严格的单脉冲。

(三)发明内容：本实用新型的目的就是要克服现有EDA实验仪所存在 的上述几方面问题，提供一种新的ISP(在系统编程)实验仪，以取代 EDA实验仪。

本实用新型的具体方案是：ISP实验仪，它包括有FPGA模块，与其 分别连接有LED数码管，ROM存储器，矩阵按键，开关按键，晶振时钟 源，连续可调时钟源，并设置有电源模块，功率驱动继电器模块，AD/ DA模块，模拟信号源模块，RS232串行通信模块，ISP/JTAG下载接口， 备有通用芯片接口扩展区，特别是：a.在所述电源模块中增设了场效 应管开关限流保护电路；b.增设了ISP/JTAG下载接口电路；c.在所述 开关按键模块中加入施密特去抖动电路；d.增加ISP单片机模块，采用 完整地址的总线模式同FPGA接口，并连接有RS232串行通信模块以及 ISP/JTAG下载接口。

本实用新型改进后具有以下特点：

a.由于电源部分具有限流保护功能，能够及时发现电路故障，自 动断电，同时声音报警，排除故障后，手动对电源复位，恢复供电。 这样最大限度防止了由于学生的误操作而导致芯片损坏，实验箱损坏 的后果，延长了实验箱的使用寿命。

b.增设了ISP/JTAG下载接口电路，将该接口电路直接设计到实验 仪主板上，使本实验仪与PC机的连接距离不受限制。

c.集成了ISP(在系统编程)单片机系统，通过共享实验箱的硬件 资源可以开设单片机实验，特别适合做单片机与可编程逻辑器件综合 应用实验，可以作为大学生电子设计竞赛训练平台用。

d.开关按键增加了去抖动电路，使得按键脉冲实现真正的单脉 冲。

(四)附图说明：

图1是本实用新型的结构方框图；

图2是本实用新型中的ISP单片机系统电路图；

图3是本实用新型电路保护原理方框图；

图4是本实用新型电路保护电路图；

图5是本实用新型单脉冲按键电路原理图；

图6是本实用新型单元电路预分配连接布置图。

(五)具体实施方式：

参见图1，本实用新型由以下单元电路组成，FPGA模块(含掉电保 护电路)，系采用EPIK30TC144-3芯片，ISP单片机系统，8位数码管显 示单元，8×8LED点阵单元，8×2发光二极管单元，AD、DA单元，ROM 单元，4×4矩阵按键单元，脉冲按键单元，有源晶振时钟源和连续可 调时钟源单元，串行通信接口单元，大功率驱动和继电器模块，通用 芯片扩展模块，ISP/JTAG下载模块，并备有电源模块。

各模块间主要连接关系是：

8位数码管采用段位并联模式，同FPGA模块通用IO引脚相连，8× 8LED点阵单元、8×2发光二极管单元、蜂鸣器、8×8按键单元、脉冲 按键单元分别同FPGA模块通用IO引脚相连，有源晶振输出接FPGA全局 时钟输入引脚，ROM单元电路以总线(地址总线、数据总线、控制总 线)模式同FPGA模块相连。ISP下载模块通过IO芯电缆可选择同FPGA模 块和ISP单片机模块相连。ISP单片机自带地址锁存器，采用完整地址 (16bit)总线模式同FPGA模块接口。其他模块都对外开放引脚，可根 据需要采用跳线相连。

特别是在本实用新型中：

1.电源限流保护方案

考虑到学生在使用实验箱时经常会误操作，不带保护的实验箱特 别容易损坏。在电源设计时充分考虑了种种误操作，设计了有效的保 护电路，具有过载(电流超过预定值)自动断电功能，采用纯电子开 关控制，过流关断反应速度快，同时声音报警，故障排除后手动复位 既恢复正常。这样完全排除了学生在实验过程中误操作导致芯片烧毁 的事件发生，最大限度的保护延长了实验箱的使用寿命。

其电路保护原理参见图3，图中粗箭头表示电流回路，在回路中串 入一场效应管(SS6N60A)作为开关控制部件，电路正常时，断路触发 电路输出高电平维持场效应管导通，电路回路正常，场效应管两端 (负载地和电源地)压降为0.25V，即正常电压取样0.25V；当负载电 路出现故障导致电流增大时，场效应管两端的电压会升高，该电压信 号反馈给断路触发电路作为取样电压，当该取样电压超过某一事先设 定的值后，断路触发电路作用，输出低电平使场效应管断开，同时打 开蜂鸣器报警，回路断开后，取样电压自举升高，使得断路触发电路 继续维持输出低电平，场效应管保持开路，负载电路得到保护，当负 载电路故障排除后，复位电路重新使电路恢复正常。其具体电源保护 电路结构参见图4。

2.整合了ISP(在系统编程)单片机模块，参见图2。

a.以前单片机开发需要专门的编程器和仿真器，随着ISP(In System Program，在系统编程)单片机的出现，单片机编程变得如此 简单，而且不再需要专门的编程器，本实验箱主板集成了ISP单片机系 统，通过共享实验箱上的硬件资源，配合FPGA强大地外围硬件设计， 使得本实验平台可以完成一般单片机接口实验和复杂单片机应用系统 设计实验。

b.ISP单片机系统电路如图  所示，除了单片机最小系统(单片 机芯片，时钟晶振，复位电路)以外，还包括以下几部分：P1口扩展 了LED排，ISP下载接口，P0口外接地址锁存器，以总线方式对外开放 接口。

c.在本实验仪中，直接配备ISP/JTAG下载接口电路。

3.设置单脉冲按键方案

其电路原理图参见图5。

原理分析：利用电阻、电容充放电，过滤掉按键产生的多次抖 动，同时利用施密特(74HC14)整形后产生严格的单脉冲输出。

4.本实用新型中根据单元电路功能要求，基于FPGA芯片引脚可编 程配置功能，事先将各单元电路输入输出进行合理分配，将需要连接 的引脚靠近，使用DIP排针引出，方便使用配套“短路冒”连接，同时 兼顾了开放与连接。参见图6。