主頁 > 新聞動(dòng)態(tài) > 仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究 2021-12-21

仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

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)。單片機(jī)常被用于控制領(lǐng)域，比如汽車電子、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。“單片機(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)的一門專業(yè)必修課，這門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。
一、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。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�。茫担睂�(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.原理圖設(shè)計(jì)
Ｐｒｏｔｅｕｓ也可以看作是Ｐｒｏｔｅｌ　ｕｓｅ的簡(jiǎn)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(shè)計(jì)、ＰＣＢ設(shè)計(jì)等功能。而Ｐｒｏｔｅｕｓ則是英國Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ�。澹欤澹悖簦颍铮睿椋悖蠊就瞥龅囊豢罟ぞ哕浖粌H具有Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ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，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(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。
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Ｋｅｉｌ�。樱铮妫簦鳎幔颍骞境銎返模担毕盗屑嫒輪纹瑱C(jī)Ｃ語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，本文簡(jiǎn)稱Ｋｅｉｌ�。茫担�。相對(duì)于匯編語言來說，Ｃ語言結(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語言在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(diǎn)外，還提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)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(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)首先必須保證語法編譯通過、程序設(shè)計(jì)沒有邏輯錯(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。
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。
二、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。通常來說，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，通過逐步排查，最終都可以解決問題，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。
三、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)。
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，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０～５Ｖ，所以將調(diào)壓范圍設(shè)置為０～５Ｖ，調(diào)壓電路如圖１所示。

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)到來后，就開始進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，輸入０～５Ｖ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。
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。

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)。

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2.5V時(shí)，數(shù)碼管上顯示的結(jié)果為1、2、7。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，通過肉眼就看不出閃爍現(xiàn)象。也就是說雖然外面觀察到的顯示結(jié)果是一個(gè)靜態(tài)的數(shù)字1、2、7，但實(shí)際上數(shù)碼管分別分時(shí)段顯示了數(shù)字1、2、7。
四、結(jié)語
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。

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