唐 琳, 劉星月, 廖先莉, 趙永鑫, 李躍鵬

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610106)

單片機(jī)是電子技術(shù)與集成電路高速發(fā)展的產(chǎn)物,內(nèi)部集成了包括運(yùn)算器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O口、中斷和定時(shí)器在內(nèi)的所有計(jì)算機(jī)必備組件,因此它也被稱為單片微型計(jì)算機(jī)[1-3]。單片機(jī)常被用于控制領(lǐng)域,比如汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、軍事技術(shù)等。在這些領(lǐng)域中單片機(jī)通常都是作為被控系統(tǒng)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(jī)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(tǒng),在功能上更加接近一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī),應(yīng)用也更為廣泛?！皢纹瑱C(jī)原理”課程是普通高等院校電子、通信類工科大專業(yè)平臺(tái)的一門(mén)專業(yè)必修課,這門(mén)課程的宗旨在于讓學(xué)生深刻理解單片機(jī)的基本構(gòu)成,熟練掌握單片機(jī)的編程方法。但在實(shí)際教學(xué)中,尤其是單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用能力,所以學(xué)生學(xué)習(xí)難度和老師教學(xué)難度都比較大[4-5]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題提出一種仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,通過(guò)在線編程軟件Keil C51和在線調(diào)試軟件Proteus將抽象的問(wèn)題形象化、具體化,降低單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)難度和教學(xué)難度。

1 在線仿真在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

“單片機(jī)原理”是一門(mén)面向各種應(yīng)用的課程,其綜合型、設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn),內(nèi)容復(fù)雜、交叉范圍廣、綜合性強(qiáng),是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,教師不僅要講解單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、編程思路,還要講解電路的原理圖、硬件連接關(guān)系、程序設(shè)計(jì)方法以及調(diào)試注意事項(xiàng)等[6-7]。為了降低實(shí)驗(yàn)難度,可以將實(shí)驗(yàn)分成課堂上和課堂下2個(gè)部分。課堂下就是在線仿真,而課堂上則是硬件連接與調(diào)試。

在線仿真包含了原理圖設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試、程序加載運(yùn)行3個(gè)階段,每個(gè)階段都必不可少,各個(gè)階段密不可分。原理圖設(shè)計(jì)階段和程序下載主要由Proteus軟件實(shí)現(xiàn),而代碼調(diào)試則由Keil C51實(shí)現(xiàn),下文將對(duì)在線仿真3階段的功能進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.1 原理圖設(shè)計(jì)

Proteus也可以看作是Protel use的簡(jiǎn)稱。眾所周知,Protel99 SE是使用非常廣泛的硬件制圖軟件,包含原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等功能。而Proteus則是英國(guó)Labcenter electronics公司推出的一款工具軟件,它不僅具有Protel99 SE的原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)功能,最重要的是它可以在線加載程序并進(jìn)行在線調(diào)試運(yùn)行,是目前世界上唯一一款將電路仿真、PCB設(shè)計(jì)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(nèi)的所有系列處理器,目前仍在不斷擴(kuò)展支持范圍。在程序編譯調(diào)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(guò)Proteus軟件完成原理圖設(shè)計(jì),首先要進(jìn)行器件選型,Proteus軟件提供豐富的元器件庫(kù),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(kù)中找到并拖入原理圖中,再根據(jù)實(shí)際需要連線完成原理圖設(shè)計(jì)。為了保證最終的在線仿真結(jié)果正確,在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)必須確保原理圖電氣特性正確,硬件連接無(wú)誤,核心處理器外圍電路配置得當(dāng),以及阻容器件參數(shù)選擇正確。任何一個(gè)環(huán)節(jié)有誤都有可能導(dǎo)致在線仿真得出不正確的結(jié)果。

1.2 代碼調(diào)試

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中代碼調(diào)試采用的軟件平臺(tái)是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),本文簡(jiǎn)稱Keil C51。相對(duì)于匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō),C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)性更好,可讀性更高,也更便于后期維護(hù),學(xué)生學(xué)習(xí)難度也較低。而C51則是C語(yǔ)言在51單片機(jī)中的特殊應(yīng)用,它除了C語(yǔ)言本身具有的特點(diǎn)外,還提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具。與C語(yǔ)言類似,一段完整的C51代碼包括頭文件部分、變量定義、函數(shù)聲明、主函數(shù)及多個(gè)子函數(shù)。在線調(diào)試要得到正確的結(jié)果,在代碼調(diào)試環(huán)節(jié)首先必須保證語(yǔ)法編譯通過(guò)、程序設(shè)計(jì)沒(méi)有邏輯錯(cuò)誤。最重要的一點(diǎn)也是最容易忽略的一點(diǎn)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(diào)試中看到期望的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,則必須讓主體程序進(jìn)入死循環(huán)無(wú)限執(zhí)行下去,如果程序執(zhí)行一次就停止,則很難觀察到所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 程序加載

在完成原理圖設(shè)計(jì)和代碼調(diào)試以后,在線仿真的最后一個(gè)階段就是程序加載運(yùn)行。程序加載必須以原理圖設(shè)計(jì)和代碼調(diào)試為基礎(chǔ),只有建立起正確的原理圖,生成十六進(jìn)制的可執(zhí)行代碼文件,在程序加載運(yùn)行環(huán)節(jié)中才能得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)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(diào)試后再把程序下載到單片機(jī)中運(yùn)行,最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對(duì)代碼進(jìn)行修改，直至得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及內(nèi)容較多,學(xué)生很難在課堂上完成所有教學(xué)任務(wù),對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解難以深入,教學(xué)目的難以達(dá)到。而仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,則把實(shí)驗(yàn)分成以下2個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn):

(1) 課堂下,教師提前布置好實(shí)驗(yàn)任務(wù),提出明確的實(shí)驗(yàn)要求,學(xué)生按照要求完成原理圖設(shè)計(jì)和代碼調(diào)試,充分理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)Protues仿真軟件,還可以將調(diào)試好的程序下載到單片機(jī)運(yùn)行,查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在線仿真調(diào)試類似于硬件調(diào)試,程序運(yùn)行后可以查看各個(gè)外設(shè)的狀態(tài),也可以通過(guò)示波器等輔助設(shè)備查看各個(gè)接口狀態(tài),而且程序修改方便,移植性好。

(2) 課堂上,將預(yù)先設(shè)計(jì)好的原理圖對(duì)照硬件電路進(jìn)行連接,連接無(wú)誤后給硬件電路和下載器供電。將預(yù)先調(diào)試好的程序下載到單片機(jī)中運(yùn)行。通常來(lái)說(shuō),只要在線調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確,那么下載到硬件中也會(huì)得到相同的結(jié)果。如果出現(xiàn)預(yù)料之外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,首先應(yīng)查看硬件電路的連接是否正確,原理圖中的參數(shù)選擇是否與硬件電路一致,任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤。硬件電路的調(diào)試不可控因素多,存在出現(xiàn)各種問(wèn)題的可能性,但在充分理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,通過(guò)逐步排查,最終都可以解決問(wèn)題,得到預(yù)期的結(jié)果。

歸根結(jié)底,仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色在于,把實(shí)驗(yàn)教學(xué)從純課堂教學(xué)變成了課堂上與課堂下相結(jié)合、硬件調(diào)試與軟件仿真相結(jié)合的過(guò)程。根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況,采用Keil C51進(jìn)行代碼調(diào)試,采用Proteus軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和在線仿真,既降低了實(shí)驗(yàn)難度,也增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性、生動(dòng)性。學(xué)生在課堂下可以充分利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線仿真、調(diào)試練習(xí),不必受課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間的約束,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,也加強(qiáng)了學(xué)生自主開(kāi)發(fā)的能力,下文將以一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例,對(duì)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)介紹[8]。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

如前文所述,將“單片機(jī)原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分成課堂上和課堂下兩個(gè)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(diào)試。這樣可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前熟悉相關(guān)的理論知識(shí),完成原理圖設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試。而在實(shí)驗(yàn)課堂上,可把有限的時(shí)間最大限度地用來(lái)完成硬件連接與調(diào)試,提高實(shí)驗(yàn)達(dá)成度。本文以“A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目為例,進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

ADC0809是一款8位、并行輸出的AD轉(zhuǎn)換器,其功能是將輸入進(jìn)來(lái)的模擬電壓量進(jìn)行采樣、量化,然后以一定的數(shù)字量結(jié)果輸出出來(lái),實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)數(shù)字量與模擬量的接口轉(zhuǎn)換芯片。這里的8位就是指模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后最大輸出結(jié)果為28。為了便于觀察轉(zhuǎn)換結(jié)果,每完成一次AD轉(zhuǎn)換后,就將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量顯示在數(shù)碼管上。

本實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)一個(gè)調(diào)壓電路提供模擬輸入源,由于ADC0809的測(cè)量范圍為0～5 V,所以將調(diào)壓范圍設(shè)置為0～5 V,調(diào)壓電路如圖1所示。

圖1 調(diào)壓電路圖

ADC0809有8路獨(dú)立的模擬量輸入端,本實(shí)驗(yàn)僅需要使用其中一路, 芯片相關(guān)的控制信號(hào)如START、EOC、OE、CLK等,都連接到單片機(jī)相應(yīng)的管腳上接受程序控制。當(dāng)單片機(jī)配置完成,ADC0809啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)到來(lái)后,就開(kāi)始進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,輸入0～5 V的模擬量分別對(duì)應(yīng)著0～255的數(shù)字量,轉(zhuǎn)換結(jié)果由4個(gè)數(shù)碼管顯示。

3.2 在線仿真

本實(shí)驗(yàn)的在線仿真包括原理圖設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試和程序加載運(yùn)行,其中原理圖設(shè)計(jì)及程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

圖2 原理圖設(shè)計(jì)及在線仿真程序運(yùn)行結(jié)果圖

(1) 原理圖設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)原理圖設(shè)計(jì)的核心器件包括單片機(jī)AT89C51、ADC0809和四位數(shù)碼管,在元器件庫(kù)中找到相應(yīng)的器件后再對(duì)其外圍電路進(jìn)行連接。單片機(jī)必須的外圍電路包括電源、地、晶振電路、硬件復(fù)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(hào)連接到單片機(jī)相應(yīng)的I/O口上,通過(guò)程序設(shè)計(jì)提供必須的時(shí)序,啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。四位數(shù)碼管采用的是動(dòng)態(tài)顯示方式,4個(gè)數(shù)碼管共用段碼,通過(guò)位選擇線每次點(diǎn)亮1個(gè)數(shù)碼管。

(2) 代碼調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的代碼調(diào)試包括AD轉(zhuǎn)換和數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示2個(gè)部分,鑒于篇幅所限，下面重點(diǎn)分析AD轉(zhuǎn)換部分。AD轉(zhuǎn)換的時(shí)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(jīng)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(gè)高脈沖,START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位,下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,并使EOC信號(hào)為低電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到三態(tài)輸出鎖存器,并使EOC信號(hào)回到高電平,通知單片機(jī)轉(zhuǎn)換結(jié)束。 最后,當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行讀數(shù)據(jù)指令時(shí),使OE為高電平,則從輸出端D0—D7讀出數(shù)據(jù)[9-11]。

圖3 AD轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

(3) 程序加載運(yùn)行。在完成原理圖設(shè)計(jì)和代碼調(diào)試后,將生成的十六進(jìn)制文件加載到單片機(jī)中開(kāi)始在線仿真,程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。當(dāng)輸入的模擬量為2.5 V時(shí),數(shù)碼管上顯示的結(jié)果為127。由于人眼能夠識(shí)別的閃爍頻率較低,只要每個(gè)數(shù)碼管閃爍的頻率不是很高,通過(guò)肉眼就看不出閃爍現(xiàn)象。也就是說(shuō)雖然外面觀察到的顯示結(jié)果是一個(gè)靜態(tài)的數(shù)字127,但實(shí)際上數(shù)碼管分別分時(shí)段顯示了數(shù)字1、2、7。

4 結(jié)語(yǔ)

仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式,把實(shí)驗(yàn)教學(xué)從純課堂教學(xué)變成了課堂上與課堂下相結(jié)合、硬件調(diào)試與軟件仿真相結(jié)合的過(guò)程。這種教學(xué)模式降低了實(shí)驗(yàn)難度,增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性、生動(dòng)性,也解決了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限的難題。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)在線仿真,學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行練習(xí),對(duì)課堂上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到很好的促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)2年多的教學(xué)實(shí)踐探索,采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“單片機(jī)原理”教學(xué)效果顯著,課堂上學(xué)生實(shí)驗(yàn)的達(dá)成度有了明顯的提升,學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣大大提高。