主頁 > 新聞動態 > 仿真與實驗相結合的單片機實驗教學研究 2021-12-21

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。
一、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.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。
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。
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。
二、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。
三、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。
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。

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。
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。

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。

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1、2、7。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1、2、7，但實際上數碼管分別分時段顯示了數字1、2、7。
四、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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