陳 真， 王 釗

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

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接口綜合設計實驗平臺的開發(fā)與實踐

陳 真， 王 釗

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

融合先進的虛擬仿真技術，設計并實現(xiàn)了基于8086微處理器的“接口綜合設計”實驗平臺。學生應用該實驗平臺可以自由擴展發(fā)揮，進行體驗性學習，提高了實驗興趣，營造了主動性、探索性實驗環(huán)境。實踐證明，該平臺的開發(fā)與應用，對學生靈活掌握多種接口芯片的功能與使用方法提出了更高、更全面的要求，既能更好地配合學生深入理解和靈活掌握理論知識，又能運用實驗教學體系的優(yōu)勢實現(xiàn)學生從基礎知識理解到綜合能力提高的轉變，從驗證性思維到設計、創(chuàng)新性思維的轉變。

微機原理； 接口設計； 虛擬仿真； 綜合設計實驗平臺

0 引 言

“微機原理”課程以微處理器、總線、接口和程序設計為主線，是學生學習和掌握計算機硬件知識和匯編語言程序設計的入門課程，其實驗教學占有非常重要的地位[1-2]。該課程基礎性、實踐性和技術性強，對于學生深入理解專業(yè)理論知識、培養(yǎng)實踐應用能力及創(chuàng)新能力具有承上啟下、至關重要的地位和作用，是培養(yǎng)高素質創(chuàng)新性人才的關鍵環(huán)節(jié)。

目前該課程“接口設計部分”的實驗內容難以激發(fā)學生創(chuàng)新設計熱情，學生普遍缺乏對設計環(huán)節(jié)的深入理解和應用體會，學生主動性和積極性不高，學生的綜合設計能力和創(chuàng)新能力得不到充分發(fā)揮和鍛煉。在現(xiàn)有教學實驗裝置上，設計開發(fā)基于8086微處理器的“接口綜合設計”實驗平臺，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力，以及理論應用于實踐的創(chuàng)新能力，突出實驗教學的實踐性、科學性、先進性。

1 接口綜合設計實驗平臺開發(fā)

實驗項目建設應該在傳承經(jīng)典的基礎上進行新的詮釋和探索，更加適應實驗教學發(fā)展的趨勢，豐富其內涵[3]。“接口綜合設計”實驗平臺的開發(fā)理念是通過融合先進的EDA技術，優(yōu)化完善考察學生實踐應用能力的經(jīng)典實驗項目，增強實驗興趣，營造探索性實驗環(huán)境，培養(yǎng)學生綜合設計開發(fā)和創(chuàng)新能力。具體實驗項目開展流程圖如圖1所示。

圖1 實驗項目開展流程圖

1.1 關鍵技術

1.1.1 仿真軟件

選用Proteus軟件作為系統(tǒng)仿真軟件。Proteus軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，不僅能對電路進行設計與分析，還能對微處理器進行設計和仿真。Proteus 7.5版本開始提供VSM for 8086模塊，增加對8086CPU的仿真，為搭建培養(yǎng)學生綜合設計和自主創(chuàng)新能力的實踐平臺提供了技術支撐[4-6]。應用Proteus 進行8086 接口技術仿真是在Proteus ISIS 中通過電路原理圖的編輯、外部代碼編譯器的設置、編寫和添加源代碼及仿真調試來完成的，具體流程如圖2所示。

圖2 Proteus ISIS仿真流程

現(xiàn)有接口實驗箱上的信號是通過計算機的USB接口模塊產生的仿ISA總線信號得到的。為了鍛煉學生接口電路仿真設計能力，要求學生在Proteus ISIS環(huán)境下進行程序設計，并加載到的仿真設計接口電路中，仿真測試和虛擬儀器測試通過后，移植到接口實驗箱進行相應硬件電路的接線，結合開發(fā)環(huán)境軟、硬聯(lián)調后實現(xiàn)設計內容。

1.1.2 I/O地址譯碼電路設計

在現(xiàn)有教學實驗裝置基礎上搭建培養(yǎng)學生綜合設計和自主創(chuàng)新能力的實踐平臺需要解決I/O地址譯碼電路問題。

現(xiàn)有教學實驗箱上I/O地址選用280H-2BFH 64個，分8組輸出：Y0-Y7，其地址分別為280H～287H；288H～28FH；290H～297H；298H～29FH；2A0H～2A7H；2A8H～2AFH；2B0H～2B7H；2B8H～2BFH，8根輸出線在實驗箱“I/O地址”處分別由自鎖緊插孔Y0～Y7引出。I/O地址譯碼電路設計如圖3所示[7]。在Proteus ISIS仿真設計環(huán)境中選取仿真元件(如表1所示)，利用8086微處理器和相關外圍芯片構造I/O譯碼電路如圖3所示。

表1 仿真元件信息

1.1.3 子電路設計應用

結合精品實驗項目內容設計的側重點[8-10]，在Proteus ISIS環(huán)境下將部分常用電路設計為子電路，并存成部件組，方便學生進行后期接口部分仿真電路開發(fā)設計時直接使用(如：I/O接口譯碼電路)，將更多時間、精力投入到設計創(chuàng)新中。分析現(xiàn)有教學實驗箱上I/O地址選用情況，設計Proteus ISIS環(huán)境下I/O接口譯碼子電路和使用如圖4所示。

圖3 Proteus ISIS環(huán)境下I/O地址譯碼電路設計原理圖

2 實踐案例

2.1 顯示接口綜合設計實驗案例

2.1.1 實施內容和過程

“顯示接口綜合設計”實驗是在原 “數(shù)碼管顯示”經(jīng)典實驗[12]基礎上設計的。實施內容的設計是以微機系統(tǒng)的總線結構為基礎，貫穿多個接口芯片的功能應用，注重營造探索性實驗環(huán)境，著重提高學生靈活應用多種接口芯片的綜合設計創(chuàng)新能力。該實驗項目目的是要求學生掌握數(shù)碼管顯示原理并設計接口電路實現(xiàn)數(shù)碼管的靜態(tài)和動態(tài)顯示功能。制定實驗教學計劃中考慮到首先安排簡單輸入、輸出接口實驗內容，讓學生熟悉接口電路設計的基本原則以及緩沖器和鎖存器在接口電路設計中的作用及其應用方法，并且初步了解可編程并行接口芯片8255A、可編程定時器/ 計數(shù)器芯片8253等理論知識和應用方法。具體的實施內容和過程如圖5所示。

圖4 I/O接口譯碼子電路設計應用

圖5 實施內容和過程

2.2 實施方法

2.2.1 范例內容層次化設計

層次化設計的范例內容[13]，由簡單到復雜逐步引導學生掌握顯示接口設計的要點。先利用數(shù)碼管循環(huán)顯示數(shù)字單字符(0～9)，掌握如何控制段碼進行顯示；然后引導學生理解動態(tài)顯示原理并利用數(shù)碼管“同時”顯示兩個不同字符如：“EF”，掌握如何控制位碼“同時”顯示不同段碼；最后利用數(shù)碼管實現(xiàn)循環(huán)顯示數(shù)字(0～99)(見圖6)，掌握根據(jù)需求控制循環(huán)顯示。

圖6 范例內容層次化設計

2.2.2 注重引導完善

學生剛接觸接口部分內容時，注重引導學生根據(jù)“顯示接口綜合設計”實驗項目要求制定“虛擬仿真初步設計方案”。激發(fā)學習興趣和探索精神，隨著理論知識的不斷充實、對課程體系理解的不斷完善，繼續(xù)引導自主改進方案并完善功能，培養(yǎng)鍛煉了學生提出問題和分析、解決問題的自主實踐能力。

這個過程一開始略顯無所適從，隨著理論知識和實踐經(jīng)驗的不斷更新積累，此時，被動思維模式轉為主動思維模式，學習變得具有探索性和目的性，主觀能動性得以提高，初步設計方案得以主動修正完善。

2.2.3 利用范例掌握平臺的使用和實踐流程

應用先進多媒體教學手段[14-17]引導學生熟悉虛擬仿真實驗指導書、相關設計軟件和范例例程，指導學生進行虛擬仿真環(huán)境的搭建和范例例程的演示。給學生提供范例內容的參考程序設計流程圖、參考接口電路設計圖和參考程序以及在Proteus ISIS環(huán)境下的仿真設計部分、虛擬儀器測試部分供參考，目的是讓學生利用已有范例資源直接進行虛擬仿真測試和軟硬件聯(lián)合調試，盡快掌握原理和接口設計方法，把握待解決問題的關鍵所在，為后續(xù)自主設計、自由發(fā)揮打好基礎。

經(jīng)過這個過程，學生掌握了應用虛擬仿真軟件Proteus ISIS實現(xiàn)設計方案及最終硬件實現(xiàn)方法，對相關實踐流程有了更為系統(tǒng)的認識。

2.2.4 設計方案的實現(xiàn)、改進與展示

在“顯示接口綜合實驗”項目的實施過程中，學生已經(jīng)具備初步虛擬仿真設計能力和硬件實現(xiàn)能力?？偨Y設計實現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)的問題，幫助學生改進完善自己的虛擬仿真設計，順利進入到最終的硬件實現(xiàn)階段。

實驗教學計劃中安排學生后續(xù)的實驗內容為8253和8259芯片的功能測試項目，引導學生通過對這些芯片的理解和掌握，完善改進“顯示接口綜合設計方案”中的功能，促進學生綜合設計和創(chuàng)新能力的進一步提升。

學生通過作品展示環(huán)節(jié)不僅可以發(fā)現(xiàn)自己的特色和有待提高之處，而且可以相互學習方案理念和設計方法，提升了自主設計開發(fā)的能力和信心。

2.3 典型自主設計案例

學生在虛擬仿真環(huán)境中可以充分發(fā)揮想象力，自主模擬實際環(huán)境現(xiàn)場，而不受硬件條件的制約，既鍛煉了學生設計應用能力，又培養(yǎng)了實踐創(chuàng)新能力。

(1) 電子時鐘(h-m-s)。利用常用接口芯片8253+8255+8259在Proteus ISIS虛擬仿真環(huán)境下實現(xiàn)的綜合性設計方案(如圖7所示)。程序設計中實現(xiàn)了滿60進位并自動清零，利用定時中斷提高時鐘精度等功能。

圖7 時鐘顯示設計原理圖

(2) 交通信號燈模擬。利用常用接口芯片8253+8255在Proteus ISIS虛擬仿真環(huán)境下實現(xiàn)的綜合性設計方案(如圖8所示)。程序設計中實現(xiàn)了紅黃綠等切換時閃爍提醒、左拐先行等功能。

圖8 交通信號燈設計原理圖

(3) PWM波控制顯示。引導學生結合專業(yè)知識進行拓展性實驗，進一步加深了學生對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)了學生的探索精神。PWM波控制設計如圖9所示。

(4)搶答器。程序設計中實現(xiàn)了搶答后復位，顯示搶答號以及搶答時間等功能。

圖9 PWM波控制設計原理圖

3 結 語

接口綜合設計實驗平臺融合了先進的EDA技術，為培養(yǎng)學生綜合設計和自主創(chuàng)新能力搭建了實踐平臺。以往微機原理接口部分實驗項目涉及的內容相對單一，內容之綜合性、設計性、復雜性不高，因而設計調試過程中遇到的問題相對簡單、明顯，而基于該實驗平臺的實驗項目由于綜合性和設計性的提高，對學生分析問題、解決問題等綜合應用實踐能力提出了更高的要求。通過對學生“接口綜合設計實驗”項目實驗報告的分析、研究，學生應用 “接口綜合設計實驗平臺”進行自主設計、自主實現(xiàn)的實驗過程，無論是編程語言、邏輯思路、分析問題和解決問題的能力、設計與實踐的結合等方面都有所收獲和提高，并且增強了探索、挑戰(zhàn)的信心和勇氣。實踐證明，該實驗平臺的開發(fā)與應用，拓寬了學生視野，提升了學生綜合專業(yè)素養(yǎng)和開發(fā)創(chuàng)新能力，具有推廣應用價值。

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·名人名言·

我們有力的道德就是通過奮斗取得物質上的成功；這種道德既適用于國家，也適用于個人。

——羅素

The Development and Application of “Interface Comprehensive Design” Experiment Platform

CHENZhen,WANGZhao

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

By combining the simulation design of advanced virtual simulation technology, the interface comprehensive design experiment platform based on 8086 microprocessor system is realized. By the application of this platform, the students can extend or exert freely and experiential learning, which can increase interest in experiment, build the initiative and exploratory experimental environment. Practices showed that the development and application of this experiment platform have put forward higher and more comprehensive requirements for students to master the function and use method of a variety of interface chip. It can not only deepen the understanding and mastering the theory knowledge, but also utilize the advantage of the experimental teaching system to realize the transition from the understanding basic knowledge to improving the comprehensive ability, and from verification thinking to designing and innovative thinking.

microcomputer principle; interface design; virtual simulation; comprehensive experiment platform

2015-09-22

山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2011DX040)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(11CX04045A)；中國石油大學(華東)精品實驗建設項目(JS201407)

陳 真(1975-)，女，山東濰坊人，碩士，高級工程師，主要從事多媒體技術，計算機測控技術，虛擬儀器技術的教學研究工作，Tel.：13210859588；E-MAIL:chen_zhen_09@163.com

TP 399

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1006-7167(2016)04-0135-05