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仿真與實驗相結合的單片機實驗教學研究


單片機是電子技術與集成電路高速發展的產物,內部集成了包括運算器(CPU)、存儲器、I/O口、中斷和定時器在內的所有計算機必備組件,因此它也被稱為單片微型計算機。單片機常被用于控制領域,比如汽車電子、消費電子、軍事技術等。在這些領域中單片機通常都是作為被控系統的核心處理器,也就是以嵌入的方式使用,因此目前一些高端的單片機也被稱為嵌入式處理器,這些嵌入式處理器可以搭載不同的操作系統,在功能上更加接近一臺完整的計算機,應用也更為廣泛。“單片機原理”課程是普通高等院校電子、通信類工科大專業平臺的一門專業必修課,這門課程的宗旨在于讓學生深刻理解單片機的基本構成,熟練掌握單片機的編程方法。但在實際教學中,尤其是單片機的實驗教學中,由于單片機實驗要求學生有較強的動手能力和綜合運用能力,所以學生學習難度和老師教學難度都比較大。
本文針對上述問題提出一種仿真與實驗相結合的實驗教學方法,通過在線編程軟件Keil C51和在線調試軟件Proteus將抽象的問題形象化、具體化,降低單片機實驗的學習難度和教學難度。
1 在線仿真在單片機實驗教學中的應用
“單片機原理”是一門面向各種應用的課程,其綜合型、設計型的實驗,內容復雜、交叉范圍廣、綜合性強,是單片機實驗教學的重點和難點。在實驗教學過程中,教師不僅要講解單片機的硬件結構、編程思路,還要講解電路的原理圖、硬件連接關系、程序設計方法以及調試注意事項等。為了降低實驗難度,可以將實驗分成課堂上和課堂下2個部分。課堂下就是在線仿真,而課堂上則是硬件連接與調試。
在線仿真包含了原理圖設計、代碼調試、程序加載運行3個階段,每個階段都必不可少,各個階段密不可分。原理圖設計階段和程序下載主要由Proteus軟件實現,而代碼調試則由Keil C51實現,下文將對在線仿真3階段的功能進行詳細描述。
1.1 原理圖設計
Proteus也可以看作是Protel use的簡稱。眾所周知,Protel99SE是使用非常廣泛的硬件制圖軟件,包含原理圖設計、PCB設計等功能。而Proteus則是英國Labcenter electronics公司推出的一款工具軟件,它不僅具有Protel99SE的原理圖設計和PCB設計功能,最重要的是它可以在線加載程序并進行在線調試運行,是目前世界上唯一一款將電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真三合一的工具軟件。其處理器模型選擇范圍很大,支持包括8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/dsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP在內的所有系列處理器,目前仍在不斷擴展支持范圍。在程序編譯調試方面,支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。
本文選擇Keil作為程序編輯器。
通過Proteus軟件完成原理圖設計,首先要進行器件選型,Proteus軟件提供豐富的元器件庫,常用的處理器、IC電路、阻容器件及接插件等,都可以直接在元器件庫中找到并拖入原理圖中,再根據實際需要連線完成原理圖設計。為了保證最終的在線仿真結果正確,在原理圖設計時必須確保原理圖電氣特性正確,硬件連接無誤,核心處理器外圍電路配置得當,以及阻容器件參數選擇正確。任何一個環節有誤都有可能導致在線仿真得出不正確的結果。
1.2 代碼調試
單片機實驗教學中代碼調試采用的軟件平臺是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統,本文簡稱Keil C51。相對于匯編語言來說,C語言結構性更好,可讀性更高,也更便于后期維護,學生學習難度也較低。而C51則是C語言在51單片機中的特殊應用,它除了C語言本身具有的特點外,還提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具。與C語言類似,一段完整的C51代碼包括頭文件部分、變量定義、函數聲明、主函數及多個子函數。在線調試要得到正確的結果,在代碼調試環節首先必須保證語法編譯通過、程序設計沒有邏輯錯誤。最重要的一點也是最容易忽略的一點是,由于用于在線仿真的代碼與直接下載到硬件中的代碼類似,要想在調試中看到期望的實驗現象,則必須讓主體程序進入死循環無限執行下去,如果程序執行一次就停止,則很難觀察到所需要的實驗結果。
1.3 程序加載
在完成原理圖設計和代碼調試以后,在線仿真的最后一個階段就是程序加載運行。程序加載必須以原理圖設計和代碼調試為基礎,只有建立起正確的原理圖,生成十六進制的可執行代碼文件,在程序加載運行環節中才能得到正確的實驗結果。
2 仿真與實驗相結合的實驗教學特色
傳統的單片機實驗教學要求學生理解硬件電路的原理圖,熟練掌握原理圖中核心器件的編程思路、編程方法,完成代碼調試后再把程序下載到單片機中運行,最后根據實驗結果再對代碼進行修改,直至得到預期的實驗結果。整個實驗過程涉及內容較多,學生很難在課堂上完成所有教學任務,對實驗內容的理解難以深入,教學目的難以達到。而仿真與實驗相結合的實驗教學模式,則把實驗分成以下2個部分來實現:
(1)課堂下,教師提前布置好實驗任務,提出明確的實驗要求,學生按照要求完成原理圖設計和代碼調試,充分理解實驗內容。通過Protues仿真軟件,還可以將調試好的程序下載到單片機運行,查看實驗結果。在線仿真調試類似于硬件調試,程序運行后可以查看各個外設的狀態,也可以通過示波器等輔助設備查看各個接口狀態,而且程序修改方便,移植性好。
(2)課堂上,將預先設計好的原理圖對照硬件電路進行連接,連接無誤后給硬件電路和下載器供電。
將預先調試好的程序下載到單片機中運行。通常來說,只要在線調試實驗結果正確,那么下載到硬件中也會得到相同的結果。如果出現預料之外的實驗結果,首先應查看硬件電路的連接是否正確,原理圖中的參數選擇是否與硬件電路一致,任何一個環節出錯都會導致實驗結果的錯誤。硬件電路的調試不可控因素多,存在出現各種問題的可能性,但在充分理解實驗內容的基礎上,通過逐步排查,最終都可以解決問題,得到預期的結果。
歸根結底,仿真與實驗相結合的實驗教學特色在于,把實驗教學從純課堂教學變成了課堂上與課堂下相結合、硬件調試與軟件仿真相結合的過程。根據實際教學情況,采用Keil C51進行代碼調試,采用Proteus軟件進行原理圖設計和在線仿真,既降低了實驗難度,也增加了實驗的趣味性、生動性。學生在課堂下可以充分利用計算機進行在線仿真、調試練習,不必受課堂實驗時間的約束,提高了學生的學習效率,也加強了學生自主開發的能力,下文將以一個實際的實驗教學案例,對仿真與實驗相結合的實驗教學進行詳細介紹。
3 仿真與實驗相結合的實驗教學設計
如前文所述,將“單片機原理”的實驗教學分成課堂上和課堂下兩個部分。課堂下部分就是在線仿真,而課堂上部分則是硬件連接與調試。這樣可以讓學生在實驗課前熟悉相關的理論知識,完成原理圖設計和程序設計、代碼調試。而在實驗課堂上,可把有限的時間最大限度地用來完成硬件連接與調試,提高實驗達成度。本文以“A/D轉換實驗”項目為例,進行了仿真與實驗相結合的教學設計。
3.1 教學內容設計
ADC0809是一款8位、并行輸出的AD轉換器,其功能是將輸入進來的模擬電壓量進行采樣、量化,然后以一定的數字量結果輸出出來,實質上就是一個數字量與模擬量的接口轉換芯片。這里的8位就是指模擬量轉換成數字量后最大輸出結果為28。為了便于觀察轉換結果,每完成一次AD轉換后,就將轉換得到的數字量顯示在數碼管上。
本實驗中,通過一個調壓電路提供模擬輸入源,由于ADC0809的測量范圍為0~5V,所以將調壓范圍設置為0~5V,調壓電路如圖1所示。

圖1 調壓電路圖
ADC0809有8路獨立的模擬量輸入端,本實驗僅需要使用其中一路,芯片相關的控制信號如START、EOC、OE、CLK等,都連接到單片機相應的管腳上接受程序控制。當單片機配置完成,ADC0809啟動轉換信號到來后,就開始進行模擬量到數字量的轉換,輸入0~5V的模擬量分別對應著0~255的數字量,轉換結果由4個數碼管顯示。
3.2 在線仿真
本實驗的在線仿真包括原理圖設計、代碼調試和程序加載運行,其中原理圖設計及程序運行結果如圖2所示。

圖2 原理圖設計及在線仿真程序運行結果圖
(1)原理圖設計。本實驗原理圖設計的核心器件包括單片機AT89C51、ADC0809和四位數碼管,在元器件庫中找到相應的器件后再對其外圍電路進行連接。單片機必須的外圍電路包括電源、地、晶振電路、硬件復位電路,缺一不可。而ADC0809除了電源、地正確連接外,還必須將模擬電壓輸入源連接到指定的輸入通道上,將START、EOC、OE、CLK等控制信號連接到單片機相應的I/O口上,通過程序設計提供必須的時序,啟動AD轉換。四位數碼管采用的是動態顯示方式,4個數碼管共用段碼,通過位選擇線每次點亮1個數碼管。
(2)代碼調試。本實驗設計的代碼調試包括AD轉換和數碼管動態顯示2個部分,鑒于篇幅所限,下面重點分析AD轉換部分。AD轉換的時序如圖3所示。首先,輸入3位地址,并使ALE為高電平,將地址存入地址鎖存器中,經地址譯碼器譯碼后,從8路模擬通道中選通一路將模擬量送到比較器。然后送START一個高脈沖,START的上升沿使逐次逼近寄存器復位,下降沿啟動A/D轉換,并使EOC信號為低電平。當轉換結束時,轉換的結果送入到三態輸出鎖存器,并使EOC信號回到高電平,通知單片機轉換結束。最后,當單片機執行讀數據指令時,使OE為高電平,則從輸出端D0—D7讀出數據。

圖3 AD轉換時序圖
(3)程序加載運行。在完成原理圖設計和代碼調試后,將生成的十六進制文件加載到單片機中開始在線仿真,程序運行結果如圖2所示。當輸入的模擬量為2.5V時,數碼管上顯示的結果為127。由于人眼能夠識別的閃爍頻率較低,只要每個數碼管閃爍的頻率不是很高,通過肉眼就看不出閃爍現象。也就是說雖然外面觀察到的顯示結果是一個靜態的數字127,但實際上數碼管分別分時段顯示了數字1、2、7。
4 結語
仿真與實驗相結合的教學模式,把實驗教學從純課堂教學變成了課堂上與課堂下相結合、硬件調試與軟件仿真相結合的過程。這種教學模式降低了實驗難度,增加了實驗的趣味性、生動性,也解決了實驗場地、實驗設備和課堂實驗時間有限的難題。通過使用計算機在線仿真,學生可以隨時隨地進行練習,對課堂上的實驗教學起到很好的促進作用。經過2年多的教學實踐探索,采用仿真與實驗相結合的“單片機原理”教學效果顯著,課堂上學生實驗的達成度有了明顯的提升,學生對單片機課程的學習興趣大大提高。

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