彭文竹, 張 禹

(1. 集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2. 福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院， 福州 350108)

基于TPC-USB和Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用仿真

彭文竹1, 張 禹2

(1. 集美大學(xué) 誠(chéng)毅學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2. 福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院， 福州 350108)

在現(xiàn)有微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于TPC-USB和Proteus的新型微機(jī)接口仿真系統(tǒng)，并闡述利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)的新思路。以電壓報(bào)警系統(tǒng)的仿真實(shí)例，闡述利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真、調(diào)試的主要過(guò)程。實(shí)踐表明，在硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用該微機(jī)仿真系統(tǒng)，通過(guò)Proteus進(jìn)行原理圖編輯，并在 TPC-USB平臺(tái)采用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言或混合編程方式進(jìn)行源代碼編寫(xiě)及運(yùn)行調(diào)試，可以加深對(duì)微機(jī)原理知識(shí)點(diǎn)的理解，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性及提高微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)能力。

微機(jī)原理； 譯碼電路； 仿真系統(tǒng)

0 引 言

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是高校電子信息工程、自動(dòng)化、通信工程等電氣與電子信息工科類專業(yè)的基礎(chǔ)與核心課程。該課程以8086為主線，系統(tǒng)介紹微機(jī)原理的基本知識(shí)、基本組成、體系結(jié)構(gòu)和工作模式，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度出發(fā)，掌握微機(jī)原理的結(jié)構(gòu)、工作流程、接口電路及其應(yīng)用方法[1-3]。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠鞏固和加深對(duì)先修課程知識(shí)的理解，熟悉計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，對(duì)提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件及編程應(yīng)用能力至關(guān)重要[4-6]。

由于傳統(tǒng)的微機(jī)原理接口實(shí)驗(yàn)的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)線路已經(jīng)確定，而且大部分電路原理的接線已經(jīng)內(nèi)部連好，學(xué)生僅需要對(duì)外部接口電路進(jìn)行少量連線。其實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是對(duì)程序部分的調(diào)試，缺乏電路原理設(shè)計(jì)的過(guò)程，并且受實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的限制，學(xué)生僅能在有硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，極為不便[7]。因此，在原有實(shí)驗(yàn)硬件教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于TPC-USB和Proteus的微機(jī)接口綜合技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)的方法，該實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)能有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生微機(jī)原理設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的綜合能力，使學(xué)生改變傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)思維方式，實(shí)現(xiàn)微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的自主綜合設(shè)計(jì)。

1 TPC-USB和EDA技術(shù)的綜合仿真設(shè)計(jì)

1.1 新型綜合仿真應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

結(jié)合本校原有微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將Proteus仿真平臺(tái)引入微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中，Proteus軟件不僅可以支持8086等CPU芯片，還有各種外圍微機(jī)接口芯片，支持匯編、C語(yǔ)言及混合編程方式，還可以提供各種虛擬儀表，是實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類齊全且高效率的教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[8-11]。

目前，在Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真中，大多采用MASM或者Emu8086匯編程序調(diào)試軟件結(jié)合仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]。但是MASM調(diào)試工具只能調(diào)試匯編語(yǔ)言，且調(diào)試界面并不直觀，不支持?jǐn)帱c(diǎn)調(diào)試方式，使用極為不便；Emu8086是可直接在Windows界面下使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件相比MASM界面簡(jiǎn)單直觀，調(diào)試方便，但大多用在不涉及硬件電路匯編語(yǔ)言調(diào)試模式下，對(duì)外圍接口電路的硬件設(shè)計(jì)電路，該軟件無(wú)法實(shí)時(shí)和Proteus進(jìn)行程序聯(lián)調(diào)。

因此，提出采用TPC-USB程序應(yīng)用平臺(tái)結(jié)合EDA仿真技術(shù)的新型微機(jī)接口仿真模式，并設(shè)計(jì)相應(yīng)接口電路，結(jié)合新型仿真平臺(tái)和硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程。具體設(shè)計(jì)思維及流程見(jiàn)圖1。

1.2 仿真系統(tǒng)地址譯碼電路的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有微機(jī)綜合硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由總線接口模塊、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)臺(tái)及集成實(shí)驗(yàn)環(huán)境組成，總線接口模塊通過(guò)總線電纜與PC機(jī)連接，模塊與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間由扁平電纜連接，通過(guò)該電纜將模塊產(chǎn)生的仿ISA總線信號(hào)連接到實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的I/O地址共有64個(gè)，選用280H-2BFH，分為Y0-Y7共8組輸出。該譯碼電路原理圖如圖2(a)所示。

針對(duì)原有I/O地址譯碼電路譯碼地址較少的局限性，在實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)中對(duì)該譯碼電路進(jìn)行擴(kuò)展，將該譯碼電路擴(kuò)展為Y0～Y15共16組輸出，每組16個(gè)，I/O口地址共有256個(gè)，選用0000H～00FFH。擴(kuò)展地址譯碼原理圖及其Proteus仿真如圖2(b)和圖3所示，硬件系統(tǒng)和仿真平臺(tái)I/O譯碼地址如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路仿真及硬件設(shè)計(jì)流程圖

(a) 硬件I/O地址譯碼電路原理圖

(b) 仿真系統(tǒng)地址擴(kuò)展譯碼電路

硬件系統(tǒng)8組I/O譯碼地址Proteus仿真平臺(tái)擴(kuò)展后16組I/O譯碼地址0280H0000H0010H0288H0020H0030H0290H0040H0050H0298H0060H0070H02A0H0080H0090H02A8H00A0H00B0H02B0H00C0H00D0H02B8H00E0H00F0H

1.3 基于TPC-USB的仿真調(diào)試

在地址譯碼電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合外圍接口電路，即可設(shè)計(jì)整體仿真電路，接口電路應(yīng)用于矩陣鍵盤控制顯示電路框圖如圖4所示。

采用TPC-USB軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境結(jié)合Proteus進(jìn)行仿真調(diào)試，該軟件集編輯、編譯、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)演示等功能，可以實(shí)時(shí)查看原理圖及程序，并能結(jié)合仿真軟件，實(shí)時(shí)通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行仿真硬件調(diào)試，為微機(jī)原理教學(xué)中的不足以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏等問(wèn)題提供一種新的解決方法。

TPC-USB調(diào)試界面如圖5所示，在程序調(diào)試過(guò)程中，可根據(jù)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)斷點(diǎn)，或者進(jìn)行單步及連續(xù)調(diào)試方式。該軟件還包含有bochs圖形界面，該界面提供了強(qiáng)大的命令行調(diào)試功能，可以使用命令窗口直接輸入調(diào)試命令進(jìn)行交互式調(diào)試。通過(guò)TPC-USB進(jìn)行軟件編譯調(diào)試，將最終編譯的exe文件載入8086中進(jìn)行仿真結(jié)果測(cè)試，并結(jié)合TPC-USB的硬件系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。

圖3 擴(kuò)展譯碼電路仿真圖

圖4 擴(kuò)展譯碼電路應(yīng)用范例

圖5 TPC-USB調(diào)試界面

2 仿真系統(tǒng)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求

以微機(jī)綜合設(shè)計(jì)電路“電壓報(bào)警系統(tǒng)”為例，分析TPC-USB和Proteus聯(lián)合調(diào)試方法及步驟，本案例幾乎涵蓋微機(jī)接口技術(shù)中的大部分外圍接口芯片，包含可編程并行I/O接口芯片8255、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253和模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0808等，具有很強(qiáng)的綜合性，主要在于提高學(xué)生靈活掌握應(yīng)用多種微機(jī)接口芯片的綜合設(shè)計(jì)能力[13-16]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808實(shí)現(xiàn)模擬電壓的采集，通過(guò)7段數(shù)碼管顯示模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，并對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電壓值超過(guò)所設(shè)置的警戒值時(shí)，通過(guò)報(bào)警電路以特定頻率的聲音報(bào)警。

該實(shí)驗(yàn)要求需要掌握數(shù)碼管的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)顯示原理、報(bào)警電路的設(shè)計(jì)方案以及8255、8253及ADC0808等多種接口芯片的基本設(shè)計(jì)原則，通過(guò)在Proteus仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，在TPC-USB軟件平臺(tái)的調(diào)試過(guò)程，掌握微機(jī)原理各種接口芯片的綜合應(yīng)用。

2.2 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該電壓報(bào)警電路主要由4個(gè)電路模塊組成，具體包含電路模塊如下。

(1) 8086最小模式系統(tǒng)及譯碼顯示部分。該部分為電路核心部分，主要包含鎖存器及4線-16線譯碼器74LS154譯碼電路，產(chǎn)生各種接口芯片選擇控制信號(hào)，從而控制8253及兩片并行接口芯片8255，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線AD0-AD7和外圍電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(2) 電壓顯示控制部分。該電路通過(guò)8255可編

程并行接口芯片和4個(gè)數(shù)碼管組成，將電壓電路采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)譯碼電路在數(shù)碼管上直觀顯示出來(lái)。

(3) 電壓采集部分。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808完成從可變電阻采集的模擬電壓到數(shù)字電壓的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)通過(guò)8255進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。

(4) 脈沖信號(hào)產(chǎn)生及報(bào)警電路部分。利用8253可編程定時(shí)器產(chǎn)生固定頻率的周期信號(hào)，判斷所采集到的電壓數(shù)值是否超過(guò)預(yù)警值，并通過(guò)聲音報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。

2.3 仿真元件信息

該綜合電路在Proteus 7.8 SP2平臺(tái)上進(jìn)行仿真，具體仿真元件信息見(jiàn)表2。整體電路和外圍電路仿真結(jié)果如圖6、7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)電路主要元件清單

圖6 整體電路仿真結(jié)果

圖7 外圍電路部分仿真結(jié)果

2.4 TPC-USB程序調(diào)試

程序采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，也可以采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程方式，直接在TPC-USB軟件平臺(tái)上書(shū)寫(xiě)，通過(guò)TPC-USB進(jìn)行編寫(xiě)、編譯和調(diào)試后，將生成的EXE文件載入8086，作為8086程序文件。

2.5 綜合仿真結(jié)果

在Proteus中完成整體綜合電路設(shè)計(jì)后，將TPC-USB調(diào)試的可執(zhí)行文件程序載入8086中，然后進(jìn)行仿真運(yùn)行(見(jiàn)圖6和7)。界面上顯示的是當(dāng)前得到的數(shù)字電壓值，通過(guò)調(diào)整可變電阻，可得到不同的模擬電壓，當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定預(yù)警值時(shí)，將按照預(yù)定的程序發(fā)出警報(bào)提示。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)探討TPC-USB軟件平臺(tái)結(jié)合EDA仿真技術(shù)在微機(jī)原理與接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的綜合應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)了有利于學(xué)生在硬件限制下積極探索問(wèn)題的研究平臺(tái)，將抽象的內(nèi)容形象化，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)結(jié)合綜合仿真系統(tǒng)及硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)接口技術(shù)問(wèn)題的方法。并以8086和8255、8253及模數(shù)轉(zhuǎn)換AD0808等外圍電路構(gòu)成的電壓綜合報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程，探討了該新型綜合仿真調(diào)試平臺(tái)的應(yīng)用，通過(guò)該方法，還可以設(shè)計(jì)出接口技術(shù)中所涉及到的所有外圍接口芯片的仿真應(yīng)用實(shí)例。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使理論設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾鎸?shí)的設(shè)計(jì)電路，深化對(duì)接口電路內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，提高軟硬件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的綜合能力及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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Research on Simulation of Experimentof Microcomputer Principle Based on TPC-USB and Proteus

PENGWenzhu1，ZHANGYu2

(1. Chengyi University College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China; 2. Electronic and Information Science College, Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, China)

We design a new microcomputer interface simulation system using Proteus and TPC-USB based on the existing experimental system of microcomputer principles, and expound the experiment synthesis design method of this system. This paper describes the main process of simulation and debugging of the system based on the simulation of voltage alarm system. In the design process of hardware experimentation, we combine the computer simulation system with the Proteus schematic edit, and use assembly language, C language or mixed programming way source code to do writing, debugging and running in TPC-USB platform. Practice shows that the experiment can deepen the understanding of knowledge points of microcomputer principle, further mobilize the enthusiasm of the students and improve capabilities of microcomputer principle integrated design.

microcomputer principle; decoding circuit; simulation system

2016-09-25

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2016J01751)；福建省教育廳中青年教師教育科研科技類基金項(xiàng)目資助(JAT160693);集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目基金資助(c13033)

彭文竹(1982-)，男，福建泉州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：圖像處理。

Tel.：13779920721; E-mail：86800347@qq.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)05-0088-05