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AVR嵌入式实验平台的设计
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实验平台的软件部分
实验系统的软件有工具软件和实验指导书两部分组成。其中，工具软件包括安装在PC上的ICCAVR程序编辑、编译软件，ISP程序下载软件。这些软件为学习者提供程序设计、程序调试、程序下载等软开发环境和平台，这些软件和实验系统中相关硬件的结合大大简化了传统实验系统中经常采用的仿真器和程序烧写器等设备。
实验指导书主要是为相关试验项目预先编写的具有指导性的应用程序片段和为简化实验预先编好的LED、LCD或键盘操作等程序模块。
2.2 AVR实验平台的设计方案论证
2.2.1 芯片选用
AVR单片机有多个系列产品，其中ATtiny、AT90与ATmega分别对应为低、中、高档产品。我选用高档的ATmega系列，因为低档、中档的单片机性能肯定不如高档的好，而且低档、中档的单片机也在处于淘汰之中，在市场上不容易购买。在高档ATmega系列AVR单片机主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。我选用的是ATmega16，主要是因为ATmega8在处理速度和存储容量不如ATmega16，根据课题要求，因为本设计包含多个实验内容，而Mega8只有29个功能引脚，不能满足课题要求。而ATmega32/64/128在价格上比ATmega16贵，ATmega16单片机已经能满足设计的要求。考虑到以上这些因素，我选用的是ATmega 16单片机作为实验平台的MCU。
Mega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATMega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以减缓系统在功耗和处理器速度之间的矛盾。
2.2.2 电源部分
ATmega16的工作电压范围是4.5-5.5V，而PC的USB接口标准电压是5V，业界认可的误差为±0.25V，因此采用USB作为芯片的供电输入就够了，当然还要采取稳压、滤波等电路作为电源端。
2.2.3 ISP程序下载部分
这部分的主要功能是免除了每次更改片内程序都要把MCU拔下来的麻烦。有了这部分功能，我们可以随意的更改片内程序，在开发软件中编写好程序，然后直接导入，进行调试。
AVR单片机支持ISP，要实现ISP就必须要有外接的下载器。常用的有两种：并口下载器和JTAG。比较而言，自己做一个并口下载器的成本只要十几块钱，而JTAG仿真器则成本较高，并且电路比较复杂。在本设计中，我把重点放在并口下载器上，当然也会在平台上预留JTAG的接口，用于扩展学习。
2.2.4 毕业设计串行通信部分
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通信和并行通信二种方式。由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致，因而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。目前，市场上有两种接口标准，RS232和RS485。
RS232接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通信接口。1963年，美国电子工业协会(EIA)公布了RS-232C作为串行通信接口的电气标准，由于RS232的发送和接收是“对地”而言的，采用非平衡模式传输，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为15米和19200bit/s。RS485接口标准出现较晚，接口的信号电平比RS232要低，不宜损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。同时由于RS485接口具有良好的抗噪声干扰性，最高传输速率可达10Mbps，最大传输距离可达3000米，适用于远距离的串口通信。
我的实验平台是建立在单片机的基础上，串口通信都是PC和单片机之间进行，传输距离很近，对速率的要求也不是很高，考虑以上因素，我选用RS232作为串行通信的接口。
2.2.5 LED/LCD显示部分
对LED数码管的控制是按时向它们提供具有一定驱动能力的段选和位选信号。对于位选信号，可以通过单片机的P口进行驱动，而对于段选信号，为了节约I/O资源，则通过一个串入并出移位寄存器来实现。
由于AVR的IO口具备一定的驱动能力，因此LED发光二极管可以通过一个限流电阻与单片机的接口相连，无需再接驱动电路。
对于LCD显示，目前市场上有很多型号，如1602、12232、12864等。因为1602具有使用简单、容易掌握的特点，使用最广泛。在本实验平台设计中将采用1602作为LCD显示。
2.2.6 键盘扫描部分
在板子上设计一个矩阵键盘。假定将PB口作为输入和输出，PB0-PB3四条行线被设定为带内部上拉电阻的输入方式，PB4-PB7四条列线为输出方式，且输出低电平，PD2口被设定为低电平触发的外部中断输入，PD0和PD1为输出，且输出高电平，使红绿两LED处于暗态。在进行实验时，绿色LED闪烁次数表示该键的键号[2]。
2.2.7 AD转换部分
ATmega16内部含有8路10位的AD转换接口(PA口),在做AD转换是只需按照要求，进行外围电路的连接即可。
实验系统的软件有工具软件和实验指导书两部分组成。其中，工具软件包括安装在PC上的ICCAVR程序编辑、编译软件，ISP程序下载软件。这些软件为学习者提供程序设计、程序调试、程序下载等软开发环境和平台，这些软件和实验系统中相关硬件的结合大大简化了传统实验系统中经常采用的仿真器和程序烧写器等设备。
实验指导书主要是为相关试验项目预先编写的具有指导性的应用程序片段和为简化实验预先编好的LED、LCD或键盘操作等程序模块。
2.2 AVR实验平台的设计方案论证
2.2.1 芯片选用
AVR单片机有多个系列产品，其中ATtiny、AT90与ATmega分别对应为低、中、高档产品。我选用高档的ATmega系列，因为低档、中档的单片机性能肯定不如高档的好，而且低档、中档的单片机也在处于淘汰之中，在市场上不容易购买。在高档ATmega系列AVR单片机主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。我选用的是ATmega16，主要是因为ATmega8在处理速度和存储容量不如ATmega16，根据课题要求，因为本设计包含多个实验内容，而Mega8只有29个功能引脚，不能满足课题要求。而ATmega32/64/128在价格上比ATmega16贵，ATmega16单片机已经能满足设计的要求。考虑到以上这些因素，我选用的是ATmega 16单片机作为实验平台的MCU。
Mega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATMega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以减缓系统在功耗和处理器速度之间的矛盾。
2.2.2 电源部分
ATmega16的工作电压范围是4.5-5.5V，而PC的USB接口标准电压是5V，业界认可的误差为±0.25V，因此采用USB作为芯片的供电输入就够了，当然还要采取稳压、滤波等电路作为电源端。
2.2.3 ISP程序下载部分
这部分的主要功能是免除了每次更改片内程序都要把MCU拔下来的麻烦。有了这部分功能，我们可以随意的更改片内程序，在开发软件中编写好程序，然后直接导入，进行调试。
AVR单片机支持ISP，要实现ISP就必须要有外接的下载器。常用的有两种：并口下载器和JTAG。比较而言，自己做一个并口下载器的成本只要十几块钱，而JTAG仿真器则成本较高，并且电路比较复杂。在本设计中，我把重点放在并口下载器上，当然也会在平台上预留JTAG的接口，用于扩展学习。
2.2.4 毕业设计串行通信部分
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通信和并行通信二种方式。由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致，因而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。目前，市场上有两种接口标准，RS232和RS485。
RS232接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通信接口。1963年，美国电子工业协会(EIA)公布了RS-232C作为串行通信接口的电气标准，由于RS232的发送和接收是“对地”而言的，采用非平衡模式传输，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为15米和19200bit/s。RS485接口标准出现较晚，接口的信号电平比RS232要低，不宜损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。同时由于RS485接口具有良好的抗噪声干扰性，最高传输速率可达10Mbps，最大传输距离可达3000米，适用于远距离的串口通信。
我的实验平台是建立在单片机的基础上，串口通信都是PC和单片机之间进行，传输距离很近，对速率的要求也不是很高，考虑以上因素，我选用RS232作为串行通信的接口。
2.2.5 LED/LCD显示部分
对LED数码管的控制是按时向它们提供具有一定驱动能力的段选和位选信号。对于位选信号，可以通过单片机的P口进行驱动，而对于段选信号，为了节约I/O资源，则通过一个串入并出移位寄存器来实现。
由于AVR的IO口具备一定的驱动能力，因此LED发光二极管可以通过一个限流电阻与单片机的接口相连，无需再接驱动电路。
对于LCD显示，目前市场上有很多型号，如1602、12232、12864等。因为1602具有使用简单、容易掌握的特点，使用最广泛。在本实验平台设计中将采用1602作为LCD显示。
2.2.6 键盘扫描部分
在板子上设计一个矩阵键盘。假定将PB口作为输入和输出，PB0-PB3四条行线被设定为带内部上拉电阻的输入方式，PB4-PB7四条列线为输出方式，且输出低电平，PD2口被设定为低电平触发的外部中断输入，PD0和PD1为输出，且输出高电平，使红绿两LED处于暗态。在进行实验时，绿色LED闪烁次数表示该键的键号[2]。
2.2.7 AD转换部分
ATmega16内部含有8路10位的AD转换接口(PA口),在做AD转换是只需按照要求，进行外围电路的连接即可。
