王 超, 朱鵬遠(yuǎn)

(昌吉學(xué)院 物理系, 新疆 昌吉 831100)

基于Proteus的單片機中斷電路的設(shè)計與仿真

王 超, 朱鵬遠(yuǎn)

(昌吉學(xué)院 物理系, 新疆 昌吉 831100)

針對單片機中斷程序執(zhí)行中異常狀態(tài)多、偶發(fā)性和隱蔽性比較突出等問題,設(shè)計了由AT89C51單片機、外部中斷電路、串行口中斷電路和中斷指示電路組成的基于Proteus的單片機中斷電路。在Proteus仿真平臺下完成硬件電路的搭建,對Keil C與Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試,借助Proteus提供的虛擬儀器、激勵源和仿真圖表等仿真工具對電路運行情況進(jìn)行實時觀測和精確分析。該單片機中斷電路可分析多中斷源共同作用下的動態(tài)執(zhí)行過程,可將抽象的中斷過程直觀化,有助于分析調(diào)試過程中存在的問題。

單片機; 中斷電路; 電路仿真； Proteus

1 單片機的中斷源

查詢優(yōu)先級是指單片機上電復(fù)位后,不對IP寄存器進(jìn)行設(shè)置(上電復(fù)位后為00H)的優(yōu)先級,這種優(yōu)先級順序無法更改,與是否發(fā)生中斷服務(wù)程序的嵌套沒有關(guān)系。物理優(yōu)先級則需要通過IP寄存器進(jìn)行設(shè)置,若某位為“1”,則相應(yīng)的中斷源為高優(yōu)先級；若為“0”,則為低優(yōu)先級,可實現(xiàn)中斷嵌套。此外,由中斷源發(fā)出的中斷請求信號會使相應(yīng)的中斷請求標(biāo)志位置“1”,CPU響應(yīng)中斷后,必須清除中斷請求“1”標(biāo)志,否則就會再次進(jìn)入中斷,引發(fā)死循環(huán)[7-9]。

對51系列單片機來說,在定時器T0/T1和外部中斷邊沿觸發(fā)方式下,硬件可自動清除中斷請求標(biāo)志位,串行口中斷需用軟件清除；而外部中斷電平觸發(fā)方式下則需要軟硬件結(jié)合才能清除中斷請求標(biāo)志位。

2 單片機的中斷電路設(shè)計

為了全面分析51單片機的中斷過程,把51系列單片機5個中斷源分成3類,即外部中斷(不同觸發(fā)方式)、定時器中斷和串行口中斷,分別設(shè)計相應(yīng)的硬件電路(見圖1),以實現(xiàn)多中斷源作用下的中斷申請、中斷嵌套和中斷請求信號的處理等過程。

圖1中,AT89C51為51系列單片機。外部中斷0電路主要實現(xiàn)電平觸發(fā)方式下中斷信號的撤除功能,由按鍵K1的通斷作為中斷請求源,使用D觸發(fā)器74LS74作為撤除中斷請求信號的硬件,并用發(fā)光二極管D1的亮/滅指示中斷的發(fā)生。

圖1 中斷電路設(shè)計圖

外部中斷1電路主要實現(xiàn)模擬實際按鍵通斷產(chǎn)生邊沿觸發(fā)的中斷過程,由按鍵SW1、RS觸發(fā)器74LS279和分段線性激勵源組成。分段線性激勵源用來模擬產(chǎn)生按鍵通斷瞬間的前、后沿抖動,RS觸發(fā)器用于消除抖動,并用發(fā)光二極管D2亮/滅指示中斷的發(fā)生。

串行口中斷電路主要實現(xiàn)擴展輸出口功能,由按鍵K、CD4094組成,CD4094為串入-并出的移位寄存器,將串行數(shù)據(jù)并行輸出,并用發(fā)光二極管D3的亮/滅指示中斷的發(fā)生。

定時器中斷屬于內(nèi)部中斷,采用定時方式,用發(fā)光二極管D4的亮/滅指示中斷發(fā)生。

在1923年南華足球隊訪問澳洲時，當(dāng)?shù)貓蠹堅u論說：“這17名球員所組成的球隊，不只是有使者的責(zé)任，而是代表世界上最古老的中國與地球上最新領(lǐng)土的澳洲之間，建立起來的深厚的友誼和加深彼此之間的了解。[16]”所以無論是20世紀(jì)70年代發(fā)生的中美乒乓外交，還是20世紀(jì)末發(fā)生在美國與古巴之間的棒球交往，都說明了現(xiàn)代社會條件下體育在改善國家關(guān)系和推動國際進(jìn)步方面有著獨特的優(yōu)勢和巨大影響力，因此應(yīng)注意發(fā)揮和加強體育在對外關(guān)系上的作用。某種意義上說，我們主動進(jìn)行的體育對外交往活動，就是在用特殊的肢體語言向世界宣講中國故事。

3 程序設(shè)計

根據(jù)圖1要實現(xiàn)的功能,分別編寫主程序和各中斷服務(wù)程序。

主程序首先要完成初始化操作,包括中斷允許控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級控制寄存器IP、定時/計數(shù)控制寄存器TCON、串行口控制寄存器SCON、定時/計數(shù)器控制寄存器TMOD以及D觸發(fā)器74LS74。D觸發(fā)器初始化要依據(jù)真值表設(shè)置,即S=0,R=1,S=0,以保證D觸發(fā)器初始輸出為高電平。之后進(jìn)入while循環(huán),判斷是否有按鍵K閉合,決定是進(jìn)入串行口發(fā)送數(shù)據(jù)或是其他中斷,如圖2和圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖

4 中斷運行過程

4.1 外部中斷0運行分析

單片機P1.0、P1.1分別連接74LS74的R端和S端,D端接地,Q端連接單片機外部中斷0,同時開放T0中斷和外部中斷1,分析外部中斷0為低電平觸發(fā)方式時中斷請求信號的撤除過程。在Keil C軟件下編寫源程序,使用鏈接文件vdmagdi.exe以及進(jìn)行必要的軟件設(shè)置后,可實現(xiàn)Keil 軟件和Proteus的動態(tài)聯(lián)合調(diào)試。程序執(zhí)行后,Proteus原理圖中將顯示變化的情況[10-12]。

仿真運行后,可借助Proteus中的虛擬示波器觀察中斷撤除過程,如圖4所示：單片機從主程序進(jìn)入定時器T0中斷程序,T0每隔0.5 s中斷一次,循環(huán)進(jìn)行；當(dāng)按鍵K1通斷后,產(chǎn)生外部中斷0請求信號,CPU響應(yīng)后暫停定時器T0中斷服務(wù)程序進(jìn)入外部中斷0服務(wù)程序,使P1.0置位、D觸發(fā)器74LS74輸出為“1”并及時撤除中斷請求標(biāo)志；當(dāng)外部中斷0服務(wù)程序執(zhí)行完后返回T0中斷程序繼續(xù)執(zhí)行,即實現(xiàn)了中斷嵌套功能。暫停仿真后,右鍵單擊單片機/8051CPU可方便查看單片機內(nèi)部寄存器及存儲單元中數(shù)據(jù)的變化情況。

如圖5所示,TC0N=0x3C=00111100B,即TF0=1代表定時器T0中斷請求、IE1=1代表有外部中斷1請求、IE0=0代表有外部中斷0請求已經(jīng)撤除、IT0=0為低電平觸發(fā)、IT1=1為邊沿觸發(fā)；IP=0x01=00000001B,即PX0=1代表外部中斷0為高優(yōu)先級,其余為低優(yōu)先級的設(shè)置情況。

圖4 中斷申請撤除運行時序圖

圖5 CPU寄存器窗口

4.2 外部中斷1運行分析

單片機外部中斷1與74LS279的輸出端相連,分析在定時器T0中斷、外部中斷1共同作用下,模擬實際按鍵SW通斷產(chǎn)生邊沿觸發(fā)方式的中斷過程。實際的機械式按鍵由于機械彈性作用的影響,通常會伴隨有一定時間的觸點機械抖動,之后觸點才能穩(wěn)定下來,借助Proteus中的分段線性激勵源,可模擬實際按鍵的前沿抖動和后沿抖動曲線,如圖6所示。分段線性激勵源放置圖1中SW上,當(dāng)SW通斷時引入模擬抖動,借助RS觸發(fā)器74LS279消除按鍵抖動的影響。

圖6 按鍵抖動示意圖

暫停仿真后觀察到的寄存器狀態(tài)為TCON=0x34=00110100B(見圖7),即定時器T0有中斷請求,IE1=0說明系統(tǒng)硬件已經(jīng)自動把中斷請求標(biāo)志清0、IT1=1代表下降沿觸發(fā)方式；IP=0x04=00000100B,即外部中斷1設(shè)置為EX1=1代表高優(yōu)先級,其余位為“0”代表低優(yōu)先級。

圖7 CPU寄存器窗口

繼續(xù)仿真運行,使用虛擬示波器觀察時序,如圖8所示。按鍵SW的抖動通過硬件電路產(chǎn)生一個負(fù)脈沖,代表一次按鍵,實現(xiàn)了抖動的消除。因外部中斷1優(yōu)先級高于定時器T0,當(dāng)按鍵通斷后即可中斷定時器T0進(jìn)入外部中斷1程序,從而實現(xiàn)中斷二級嵌套。在外部中斷1執(zhí)行期間暫停定時器T0中斷程序,一旦執(zhí)行完立刻返回定時器T0中斷程序繼續(xù)執(zhí)行。

圖8 按鍵消抖中斷嵌套時序圖

4.3 串口中斷運行分析

單片機RXD端與CD4094的D端相連,用于傳輸數(shù)據(jù),TXD端與CD4094的CLK端相連作為同步時鐘輸出,分析在定時器T0中斷、串行口中斷共同作用下的中斷過程。通過串行移位寄存器CD4094擴展輸出口,串行口工作在方式0下的波特率固定為fosc/12,發(fā)送數(shù)據(jù)時低位在前、高位在后、長度為8位數(shù)據(jù)。CD4094的輸出端Q0—Q7接8個發(fā)光二極管用于觀察傳輸結(jié)果。

加載由Keil C軟件編譯的源程序所生成的HEX文件至單片機中,使用Proteus中的觀察窗口(Watch Window)觀察數(shù)據(jù)[13-15]。該觀察窗口可按照名稱和地址兩種方式添加自己所需要的觀測量,可以顯示地址、類型、當(dāng)前值和前一值等信息。仿真運行后,單擊暫定仿真按鈕,得到觀察窗口如圖9所示。圖中SBUF為發(fā)送緩沖器,前一發(fā)送值為0x00,當(dāng)前發(fā)送值為0x55；TCON前一值為0x34,當(dāng)前值為0x14。這說明前一時刻定時器T0產(chǎn)生中斷請求,此時中斷請求標(biāo)志已經(jīng)由硬件自動清除。由SCON為0x02可知,TI=1表示已進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序。

圖9 觀察窗口

另外,使用仿真圖表可以對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析。在圖1所示的電路圖中,分別在RXD、TXD、CD4094的輸出端口U4(D0)—U4(D7)處放置電壓探針,運行仿真圖表后生成各個端口電壓變化波形圖如圖10所示。圖中,TXD為同步時鐘脈沖,RXD為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(01010101B),在方式0下,fosc=12 MHz,波特率為fosc/12,即1 Mbit/s,傳送一位所需要的時間為1 μs。移動標(biāo)尺,可測量一位數(shù)據(jù)的傳輸時間為1.000 001 μs,與理論分析一致。

圖10 傳輸數(shù)據(jù)波形

5 結(jié)語

聯(lián)合Keil C軟件和Proteus軟件對單片機中斷電路進(jìn)行設(shè)計、仿真和分析,使用Proteus提供的仿真工具(探針、虛擬儀器、激勵源和仿真圖表)可將單片機抽象的中斷過程直觀化,能實時觀察到單片機與外設(shè)接口之間的信號變化,有助于發(fā)現(xiàn)中斷過程中偶發(fā)性和隱蔽性等問題,提高分析問題和解決問題的能力。

References)

[1] 宋杰,丁志遠(yuǎn).基于Proteus的X86中斷仿真異常問題探究和對策[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):81-84.

[2] 代曉倩,尤志堅.單片機軟件中斷測試技術(shù)研究[J].電腦知識與技術(shù),2015(11):195-196.

[3] 李麗.基于Proteus和8086的交通燈控制電路仿真設(shè)計[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2016(3):48-51.

[4] 朱志偉,劉湘云.Proteus中被忽視的設(shè)置引起的誤會與拔正[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,11(6):69-70,73.

[5] 曾宇,宋永端,王弼堃.基于Proteus和Keil軟件的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012(14):177-183.

[6] 胡景華,童淑敏,畢玉革,等.基于Proteus的溫室溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].中國農(nóng)機化,2012(5):133-136.

[7] 馬宏坤.51系列單片機的中斷擴展[J].工業(yè)控制計算機,2015(12):139-141,157.

[8] 李有光,聞新,南英.本科生AVR單片機實驗教學(xué)探索與研究[J].實驗室研究與探索,2015,34(9):216-218,276.

[9] 姚雪梅,陳永前.Proteus和Keil模擬交通燈的實踐教學(xué)[J].實驗室研究與探索,2016,35(11):107-109,136.

[10] 王超,楊蓮紅.Proteus仿真軟件在單片機實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014(14):84-87.

[11] 董增文,徐健寧,劉國平.面向研究性學(xué)習(xí)的單片機虛擬實驗室研究與開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):86-88.

[12] 王超,宋莉莉.Proteus仿真圖表在單片機時序分析中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2014,33(9):93-97.

[13] 鄧力.使用Proteus仿真圖表對單片機指令時序仿真[J].科技通報,2013(5):130-133.

[14] 吳建平,吳姝瑤,劉超.Proteus仿真在虛擬示波器設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國測試,2013(3):79-83.

[15] 孫杰,張學(xué)軍,劉云,等.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真[J].農(nóng)機化研究,2015(4):219-222.

Design and simulation of SCM interrupt circuit based on Proteus

Wang Chao, Zhu Pengyuan

(Department of Physics,Changji University,Changji 831100,China)

Aiming at the problems that the abnormal state,contingency and concealment in the interrupt program execution of SCM (single-chip microcomputer) are prominent,an interrupt circuit is designed,which is composed of the AT89C51 SCM,external interrupt circuit,serial port interrupt circuit and interrupt indication circuit and based on Proteus. The construction of the hardware circuit is completed at the Proteus simulation platform. Then the joint debugging of Keil C and Proteus software are carried out. With the aid of the simulation tools such as virtual instrument,excitation source and simulation charts provided by Proteus,the operation of the circuit is observed and analyzed in real time. The SCM interrupt circuit can be used to analyze the dynamic execution process under the combined action of multiple interrupt sources and visualize the abstract interrupt process. It can also help to analyze the problems existing in the debugging process.

SCM (single-chip microcomputer); interrupt circuit; circuit simulation； Proteus

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.035

2017-01-22

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究計劃項目(XJEDU2014S070)；教育部“本科教學(xué)工程”地方高校專業(yè)綜合改革試點項目(ZG0550)

王超(1979—),男,新疆昌吉,碩士,講師,主要研究方向為智能控制及仿真教學(xué).

TP332；TP391.9

A

1002-4956(2017)07-0136-05