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

仿真（zhēn）與（yǔ）實驗相結合的單片機實（shí）驗教（jiāo）學研究

單片機是電（diàn）子技術與集成電路高速發展的產物，內部集（jí）成（chéng）了包（bāo）括運算器（ＣＰＵ）、存（cún）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。單片機常被用於控製領域，比（bǐ）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（shì）作為被控係統的核心處理器，也就是以嵌入的方式使用（yòng），因此（cǐ）目前一些高（gāo）端的單片機也被稱為嵌入（rù）式處理器，這些嵌（qiàn）入式處理器可以搭載不同的操作係統，在功能上（shàng）更加接（jiē）近一台完整的計算機（jī），應用也更為廣泛。“單片機（jī）原理”課程是（shì）普通高等院校電子、通信類工科（kē）大專業平台的一門專業必修課，這門課程的宗旨在於讓學生（shēng）深刻（kè）理解單片機（jī）的基本（běn）構成，熟練掌（zhǎng）握單片機的編程方法。但在實際教學中，尤（yóu）其是單片機的實驗教學中，由於單片機（jī）實驗要（yào）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（lǎo）師教學難（nán）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”是一門麵向各種（zhǒng）應用的課程，其綜合型、設計型的實驗，內容複雜、交叉範圍（wéi）廣、綜合性（xìng）強，是單片機（jī）實驗教學的重點（diǎn）和（hé）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（lǐ）圖、硬件連接（jiē）關係、程序設計方法（fǎ）以及調試注意事項等。為了降低實驗難度，可以將（jiāng）實驗分成課堂上（shàng）和課堂下２個部分。課堂下就是在線仿真（zhēn），而課堂上則是硬件連接與調試。
在線仿真（zhēn）包含了原理圖設計、代碼調試、程序加載運行３個階段，每（měi）個階（jiē）段都必不可少，各個階段密不可分。原理圖設計（jì）階段和程序下載主要由（yóu）Ｐｒｏｔｅｕｓ軟（ruǎn）件（jiàn）實現，而代（dài）碼（mǎ）調試則由Ｋｅｉｌ　Ｃ５１實現（xiàn），下文將對（duì）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（de）簡稱。眾所周知，Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ是使用非常廣泛的硬件製圖軟件，包含原理圖設計、ＰＣＢ設計等功能。而Ｐｒｏｔｅｕｓ則是英國（guó）Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司推出的一款工具軟件，它（tā）不僅具（jù）有Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ的原理圖設（shè）計和ＰＣＢ設計功能，最重要的是它可以在線（xiàn）加（jiā）載程序並進行在線調試運行，是目前世界上唯一一款將電（diàn）路仿真、ＰＣＢ設計和虛擬模型（xíng）仿真三合一的工具軟件。其處理器模型選擇範圍很（hěn）大，支持包括８０５１、ＨＣ１１、ＰＩＣ１０／１２／１６／１８／２４／３０／ｄｓＰＩＣ３３、ＡＶＲ、ＡＲＭ、８０８６、ＭＳＰ４３０、Ｃｏｒｔｅｘ和ＤＳＰ在內的所有係列處理（lǐ）器，目（mù）前仍在不斷擴展支持範圍。在程序編譯調試方麵，支持ＩＡＲ、Ｋｅｉｌ和ＭＰＬＡＢ等多（duō）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（kě）以直接在元器（qì）件庫中找到並拖入（rù）原理圖中，再根據實際需要連線完成原理圖（tú）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（bǎo）原（yuán）理圖電氣特性正確，硬件連接無誤（wù），核心處理器外圍電（diàn）路配（pèi）置得當，以及阻容器件參數（shù）選擇正確。任何一個環（huán）節有（yǒu）誤都有可能導致在線仿真得出不正確的結果。
2.代碼調試（shì）
單片機實驗教學中代碼調試采用的軟件平台是（shì）美（měi）國Ｋｅｉｌ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司出品的５１係列兼容單片機Ｃ語言軟件（jiàn）開發係統，本文（wén）簡稱（chēng）Ｋｅｉｌ　Ｃ５１。相對於匯編語言來說（shuō），Ｃ語言結構性更好，可（kě）讀（dú）性（xìng）更高，也更便於後期維護（hù），學生學習難度也較低。而Ｃ５１則是Ｃ語言在（zài）５１單片機（jī）中的特殊應（yīng）用，它除了Ｃ語言本身具有的特點外，還提供了豐富的庫（kù）函數和功能強大的集成開發調試工具。與Ｃ語言類（lèi）似，一段完整的Ｃ５１代（dài）碼包括頭文件部分、變量定義、函（hán）數聲明、主函數及（jí）多個子函數。在線調（diào）試要（yào）得到正確的結（jié）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（zuì）容易忽（hū）略的一點（diǎn）是，由於用於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（shì）中（zhōng）看到期望的實驗現象，則（zé）必須讓主體程序進入死（sǐ）循環無限執行下去，如果程序執行一次（cì）就停止，則很難（nán）觀察到（dào）所需要的實驗結果。
3.程序加載
在完成原理（lǐ）圖設（shè）計（jì）和代碼調試以後，在線仿真的（de）最後一個階段就是程序加載運行。程序加（jiā）載（zǎi）必須（xū）以原理圖設計和代碼調試為基礎，隻有建立起正確的原理（lǐ）圖，生成十六進（jìn）製的可執行代碼文件，在（zài）程序加（jiā）載運行環節中（zhōng）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（sè）
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（wò）原理圖中（zhōng）核心器件的編程思路、編程方（fāng）法，完成代碼調（diào）試後再把（bǎ）程序下載到單片機中運行，最後根據實驗結果再對代碼進行修改，直至得到預期的實（shí）驗結果。整個實驗過程（chéng）涉及內容較（jiào）多，學生（shēng）很難在（zài）課堂上完成（chéng）所有教學任務，對實驗內容的理解（jiě）難以深入，教學目的（de）難以達到。而仿（fǎng）真與實驗相結合（hé）的實（shí）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（tú）設計和代碼調（diào）試，充分理解實驗內容（róng）。通過Ｐｒｏｔｕｅｓ仿真（zhēn）軟件，還（hái）可（kě）以將調試好的程序（xù）下載到（dào）單片機運行，查看實驗（yàn）結果。在線仿真調試類似於硬件調試，程序運行後可以（yǐ）查看各（gè）個外設的狀態，也可以通過示波器等輔助設備（bèi）查看各個接口狀態，而且程序修改方便（biàn），移植性（xìng）好。
2.課堂上，將（jiāng）預先設計好的原理圖對照硬件電路進行連接，連接無誤後給硬件電路和下載器供電。
將（jiāng）預先調試好的程（chéng）序下載到單片（piàn）機中運行。通常來說，隻要在線（xiàn）調試實驗結果正確，那麽下載到硬件中也會得到相（xiàng）同的結果。如果出（chū）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（shù）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（jié）果的錯誤。硬件電路的調試不可控（kòng）因素多，存（cún）在（zài）出現各種（zhǒng）問題（tí）的可能性，但在充分理解實驗內容的基礎上（shàng），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（dǐ），仿（fǎng）真（zhēn）與實驗相結合的實驗（yàn）教學特色在於，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（xiàng）結合的過程。根據實（shí）際（jì）教（jiāo）學情（qíng）況，采用Ｋｅｉｌ　Ｃ５１進行代（dài）碼調試，采用（yòng）Ｐｒｏｔｅｕｓ軟件進行原理圖設計和在線仿真，既降低了（le）實驗難度，也增加了（le）實驗的趣味（wèi）性、生動性。學生（shēng）在課堂下可以充分利用（yòng）計算機（jī）進行在線仿真、調試練習，不必受課堂實驗時（shí）間的約束，提高了學生的（de）學習（xí）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（jiāo）學案例，對仿（fǎng）真與實驗相結合的實驗教學進行詳細介紹。
三（sān）、仿真與（yǔ）實驗（yàn）相結合的實驗教學設計
如前文所述，將“單片機原理”的實驗（yàn）教學分成課堂上和課（kè）堂下兩個部（bù）分。課堂下部分就是在線（xiàn）仿真（zhēn），而課堂上部分則是硬件連接與（yǔ）調試（shì）。這樣可以讓學生（shēng）在實驗課前熟悉相關的理論知識，完成原（yuán）理圖設計和程序設計、代碼調（diào）試。而在實驗課（kè）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（shí）驗達成度。本文（wén）以“Ａ／Ｄ轉換實驗”項目為例，進（jìn）行了仿真（zhēn）與實驗相結合的教學設計。
1.教學內容設計
ＡＤＣ０８０９是一款８位、並行輸出的ＡＤ轉換器，其功能是將輸（shū）入進來的模擬電壓量進行采樣、量化，然（rán）後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（kǒu）轉換芯片。這裏的８位就（jiù）是指模擬量（liàng）轉換成數字量（liàng）後最大輸（shū）出結果為２８。為了便於觀察轉（zhuǎn）換結（jié）果（guǒ），每完成一次ＡＤ轉換後，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，由於ＡＤＣ０８０９的測量範圍為０～５Ｖ，所以將調壓範圍設置為０～５Ｖ，調（diào）壓電路如圖１所示。

調壓電路圖（tú）

ＡＤＣ０８０９有８路獨立的模擬量輸入端，本（běn）實驗僅（jǐn）需要使用（yòng）其中（zhōng）一路，芯片相關的控（kòng）製信號如ＳＴＡＲＴ、ＥＯＣ、ＯＥ、ＣＬＫ等，都連接到單（dān）片機相應的管腳（jiǎo）上接受程序控製。當單片機配置完成，ＡＤＣ０８０９啟動轉換信號到來（lái）後（hòu），就開始進行模擬量到數字量的轉換，輸入０～５Ｖ的模擬量分（fèn）別對應著０～２５５的數字量，轉換結果（guǒ）由４個數（shù）碼管顯示。
2.在線仿真（zhēn）
本實驗的在線仿真包括原理圖（tú）設計、代碼調試和（hé）程序加載運（yùn）行，其中原理圖設計及程序運行結果如圖２所示。

原（yuán）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（kù）中（zhōng）找到相（xiàng）應的器件後再對其外圍電路進（jìn）行（háng）連接。單片機必須的外圍電路包括電源、地、晶振（zhèn）電路、硬件複位電（diàn）路，缺一不可。而ＡＤＣ０８０９除（chú）了電源（yuán）、地正確連（lián）接外，還必須將模擬電壓輸入源連（lián）接到指定的輸入通道上，將ＳＴＡＲＴ、ＥＯＣ、ＯＥ、ＣＬＫ等控製信（xìn）號連接到單片機相應的Ｉ／Ｏ口上，通過程序設計提供（gòng）必須的時序，啟動ＡＤ轉換。四位數碼管（guǎn）采用的是動態顯示方式，４個數碼（mǎ）管共用段碼，通（tōng）過位選擇線每次點亮１個數碼（mǎ）管。
2)代碼調試。本實驗（yàn）設計的代碼（mǎ）調試包括ＡＤ轉換和數碼管動態顯示２個（gè）部分，鑒於篇幅所限（xiàn），下麵重點分析ＡＤ轉換部分。ＡＤ轉換的時序如圖３所示。首先（xiān），輸入３位（wèi）地址，並使ＡＬＥ為高電平，將地址存入地址鎖存（cún）器中（zhōng），經地址譯碼器譯碼後，從８路模擬通（tōng）道中選通一（yī）路將模（mó）擬（nǐ）量送到比較器。然後送ＳＴＡＲＴ一個高脈衝，ＳＴＡＲＴ的上升沿使（shǐ）逐次逼近寄存（cún）器複（fù）位，下降沿啟（qǐ）動Ａ／Ｄ轉換，並使ＥＯＣ信號為低電平。當轉換結束時，轉換的結（jié）果送入到三態輸出鎖存器，並使ＥＯＣ信號回到高電平，通（tōng）知單片機轉換結束。最後，當單片（piàn）機執行讀數據指令時，使ＯＥ為高電（diàn）平，則（zé）從（cóng）輸出（chū）端Ｄ０—Ｄ７讀出數據。

AD轉換時（shí）序圖

3)程序加載運行。在完成原理圖設（shè）計（jì）和代碼調試後，將生成的十六（liù）進製文件加載到單片（piàn）機中開始在線仿（fǎng）真，程序（xù）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（guǒ）為1、2、7。由（yóu）於人眼能夠識別的閃爍頻率較低，隻要（yào）每個數碼管閃爍的頻率不是很高，通過肉眼就看不（bú）出閃爍現象。也就是說雖然（rán）外麵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（bié）分時段顯示了數字1、2、7。
四、結語
仿真與實驗（yàn）相結合（hé）的教學模（mó）式（shì），把實驗教學從純課堂（táng）教（jiāo）學（xué）變成了課堂上與課堂（táng）下相（xiàng）結合、硬件調試與軟件仿真相（xiàng）結合（hé）的過（guò）程。這（zhè）種教（jiāo）學模式降低了實驗難度，增加了實驗的趣味性、生動性，也（yě）解（jiě）決了實驗（yàn）場地、實驗設備和課堂實驗時間有限的（de）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（yòng）。經（jīng）過２年多（duō）的教學實（shí）踐（jiàn）探索（suǒ），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（míng）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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