仿真与实验相结合的单片机实验教学研究

单片机是电子技术与集成电路高速发展的产物，内部集成了包括运算器（ＣＰＵ）、存储器、Ｉ／Ｏ口、中断和定时器在内的所有计算机必备组件，因此它也被称为单片微型计算机。单片机常被用于控制领域，比如汽车电子、消费电子、军事技术等。在这些领域中单片机通常都是作为被控系统的核心处理器，也就是以嵌入的方式使用，因此目前一些高端的单片机也被称为嵌入式处理器，这些嵌入式处理器可以搭载不同的操作系统，在功能上更加接近一台完整的计算机，应用也更为广泛。“单片机原理”课程是普通高等院校电子、通信类工科大专业平台的一门专业必修课，这门课程的宗旨在于让学生深刻理解单片机的基本构成，熟练掌握单片机的编程方法。但在实际教学中，尤其是单片机的实验教学中，由于单片机实验要求学生有较强的动手能力和综合运用能力，所以学生学习难度和老师教学难度都比较大。
本文针对上述问题提出一种仿真与实验相结合的实验教学方法，通过在线编程软件Ｋｅｉｌ　Ｃ５１和在线调试软件Ｐｒｏｔｅｕｓ将抽象的问题形象化、具体化，降低单片机实验的学习难度和教学难度。
１　在线仿真在单片机实验教学中的应用
“单片机原理”是一门面向各种应用的课程，其综合型、设计型的实验，内容复杂、交叉范围广、综合性强，是单片机实验教学的重点和难点。在实验教学过程中，教师不仅要讲解单片机的硬件结构、编程思路，还要讲解电路的原理图、硬件连接关系、程序设计方法以及调试注意事项等。为了降低实验难度，可以将实验分成课堂上和课堂下２个部分。课堂下就是在线仿真，而课堂上则是硬件连接与调试。
在线仿真包含了原理图设计、代码调试、程序加载运行３个阶段，每个阶段都必不可少，各个阶段密不可分。原理图设计阶段和程序下载主要由Ｐｒｏｔｅｕｓ软件实现，而代码调试则由Ｋｅｉｌ　Ｃ５１实现，下文将对在线仿真３阶段的功能进行详细描述。
１．１　原理图设计
Ｐｒｏｔｅｕｓ也可以看作是Ｐｒｏｔｅｌ　ｕｓｅ的简称。众所周知，Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ是使用非常广泛的硬件制图软件，包含原理图设计、ＰＣＢ设计等功能。而Ｐｒｏｔｅｕｓ则是英国Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司推出的一款工具软件，它不仅具有Ｐｒｏｔｅｌ９９ＳＥ的原理图设计和ＰＣＢ设计功能，最重要的是它可以在线加载程序并进行在线调试运行，是目前世界上唯一一款将电路仿真、ＰＣＢ设计和虚拟模型仿真三合一的工具软件。其处理器模型选择范围很大，支持包括８０５１、ＨＣ１１、ＰＩＣ１０／１２／１６／１８／２４／３０／ｄｓＰＩＣ３３、ＡＶＲ、ＡＲＭ、８０８６、ＭＳＰ４３０、Ｃｏｒｔｅｘ和ＤＳＰ在内的所有系列处理器，目前仍在不断扩展支持范围。在程序编译调试方面，支持ＩＡＲ、Ｋｅｉｌ和ＭＰＬＡＢ等多种编译器。
本文选择Ｋｅｉｌ作为程序编辑器。
通过Ｐｒｏｔｅｕｓ软件完成原理图设计，首先要进行器件选型，Ｐｒｏｔｅｕｓ软件提供丰富的元器件库，常用的处理器、ＩＣ电路、阻容器件及接插件等，都可以直接在元器件库中找到并拖入原理图中，再根据实际需要连线完成原理图设计。为了保证最终的在线仿真结果正确，在原理图设计时必须确保原理图电气特性正确，硬件连接无误，核心处理器外围电路配置得当，以及阻容器件参数选择正确。任何一个环节有误都有可能导致在线仿真得出不正确的结果。
１．２　代码调试
单片机实验教学中代码调试采用的软件平台是美国Ｋｅｉｌ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司出品的５１系列兼容单片机Ｃ语言软件开发系统，本文简称Ｋｅｉｌ　Ｃ５１。相对于汇编语言来说，Ｃ语言结构性更好，可读性更高，也更便于后期维护，学生学习难度也较低。而Ｃ５１则是Ｃ语言在５１单片机中的特殊应用，它除了Ｃ语言本身具有的特点外，还提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。与Ｃ语言类似，一段完整的Ｃ５１代码包括头文件部分、变量定义、函数声明、主函数及多个子函数。在线调试要得到正确的结果，在代码调试环节首先必须保证语法编译通过、程序设计没有逻辑错误。最重要的一点也是最容易忽略的一点是，由于用于在线仿真的代码与直接下载到硬件中的代码类似，要想在调试中看到期望的实验现象，则必须让主体程序进入死循环无限执行下去，如果程序执行一次就停止，则很难观察到所需要的实验结果。
１．３　程序加载
在完成原理图设计和代码调试以后，在线仿真的最后一个阶段就是程序加载运行。程序加载必须以原理图设计和代码调试为基础，只有建立起正确的原理图，生成十六进制的可执行代码文件，在程序加载运行环节中才能得到正确的实验结果。
２　仿真与实验相结合的实验教学特色
传统的单片机实验教学要求学生理解硬件电路的原理图，熟练掌握原理图中核心器件的编程思路、编程方法，完成代码调试后再把程序下载到单片机中运行，最后根据实验结果再对代码进行修改，直至得到预期的实验结果。整个实验过程涉及内容较多，学生很难在课堂上完成所有教学任务，对实验内容的理解难以深入，教学目的难以达到。而仿真与实验相结合的实验教学模式，则把实验分成以下２个部分来实现：
（１）课堂下，教师提前布置好实验任务，提出明确的实验要求，学生按照要求完成原理图设计和代码调试，充分理解实验内容。通过Ｐｒｏｔｕｅｓ仿真软件，还可以将调试好的程序下载到单片机运行，查看实验结果。在线仿真调试类似于硬件调试，程序运行后可以查看各个外设的状态，也可以通过示波器等辅助设备查看各个接口状态，而且程序修改方便，移植性好。
（２）课堂上，将预先设计好的原理图对照硬件电路进行连接，连接无误后给硬件电路和下载器供电。
将预先调试好的程序下载到单片机中运行。通常来说，只要在线调试实验结果正确，那么下载到硬件中也会得到相同的结果。如果出现预料之外的实验结果，首先应查看硬件电路的连接是否正确，原理图中的参数选择是否与硬件电路一致，任何一个环节出错都会导致实验结果的错误。硬件电路的调试不可控因素多，存在出现各种问题的可能性，但在充分理解实验内容的基础上，通过逐步排查，最终都可以解决问题，得到预期的结果。
归根结底，仿真与实验相结合的实验教学特色在于，把实验教学从纯课堂教学变成了课堂上与课堂下相结合、硬件调试与软件仿真相结合的过程。根据实际教学情况，采用Ｋｅｉｌ　Ｃ５１进行代码调试，采用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行原理图设计和在线仿真，既降低了实验难度，也增加了实验的趣味性、生动性。学生在课堂下可以充分利用计算机进行在线仿真、调试练习，不必受课堂实验时间的约束，提高了学生的学习效率，也加强了学生自主开发的能力，下文将以一个实际的实验教学案例，对仿真与实验相结合的实验教学进行详细介绍。
３　仿真与实验相结合的实验教学设计
如前文所述，将“单片机原理”的实验教学分成课堂上和课堂下两个部分。课堂下部分就是在线仿真，而课堂上部分则是硬件连接与调试。这样可以让学生在实验课前熟悉相关的理论知识，完成原理图设计和程序设计、代码调试。而在实验课堂上，可把有限的时间最大限度地用来完成硬件连接与调试，提高实验达成度。本文以“Ａ／Ｄ转换实验”项目为例，进行了仿真与实验相结合的教学设计。
３．１　教学内容设计
ＡＤＣ０８０９是一款８位、并行输出的ＡＤ转换器，其功能是将输入进来的模拟电压量进行采样、量化，然后以一定的数字量结果输出出来，实质上就是一个数字量与模拟量的接口转换芯片。这里的８位就是指模拟量转换成数字量后最大输出结果为２８。为了便于观察转换结果，每完成一次ＡＤ转换后，就将转换得到的数字量显示在数码管上。
本实验中，通过一个调压电路提供模拟输入源，由于ＡＤＣ０８０９的测量范围为０～５Ｖ，所以将调压范围设置为０～５Ｖ，调压电路如图１所示。

图１　调压电路图
ＡＤＣ０８０９有８路独立的模拟量输入端，本实验仅需要使用其中一路，芯片相关的控制信号如ＳＴＡＲＴ、ＥＯＣ、ＯＥ、ＣＬＫ等，都连接到单片机相应的管脚上接受程序控制。当单片机配置完成，ＡＤＣ０８０９启动转换信号到来后，就开始进行模拟量到数字量的转换，输入０～５Ｖ的模拟量分别对应着０～２５５的数字量，转换结果由４个数码管显示。
３．２　在线仿真
本实验的在线仿真包括原理图设计、代码调试和程序加载运行，其中原理图设计及程序运行结果如图２所示。

图２　原理图设计及在线仿真程序运行结果图
（１）原理图设计。本实验原理图设计的核心器件包括单片机ＡＴ８９Ｃ５１、ＡＤＣ０８０９和四位数码管，在元器件库中找到相应的器件后再对其外围电路进行连接。单片机必须的外围电路包括电源、地、晶振电路、硬件复位电路，缺一不可。而ＡＤＣ０８０９除了电源、地正确连接外，还必须将模拟电压输入源连接到指定的输入通道上，将ＳＴＡＲＴ、ＥＯＣ、ＯＥ、ＣＬＫ等控制信号连接到单片机相应的Ｉ／Ｏ口上，通过程序设计提供必须的时序，启动ＡＤ转换。四位数码管采用的是动态显示方式，４个数码管共用段码，通过位选择线每次点亮１个数码管。
（２）代码调试。本实验设计的代码调试包括ＡＤ转换和数码管动态显示２个部分，鉴于篇幅所限，下面重点分析ＡＤ转换部分。ＡＤ转换的时序如图３所示。首先，输入３位地址，并使ＡＬＥ为高电平，将地址存入地址锁存器中，经地址译码器译码后，从８路模拟通道中选通一路将模拟量送到比较器。然后送ＳＴＡＲＴ一个高脉冲，ＳＴＡＲＴ的上升沿使逐次逼近寄存器复位，下降沿启动Ａ／Ｄ转换，并使ＥＯＣ信号为低电平。当转换结束时，转换的结果送入到三态输出锁存器，并使ＥＯＣ信号回到高电平，通知单片机转换结束。最后，当单片机执行读数据指令时，使ＯＥ为高电平，则从输出端Ｄ０—Ｄ７读出数据。

图３　ＡＤ转换时序图
（３）程序加载运行。在完成原理图设计和代码调试后，将生成的十六进制文件加载到单片机中开始在线仿真，程序运行结果如图２所示。当输入的模拟量为２．５Ｖ时，数码管上显示的结果为１２７。由于人眼能够识别的闪烁频率较低，只要每个数码管闪烁的频率不是很高，通过肉眼就看不出闪烁现象。也就是说虽然外面观察到的显示结果是一个静态的数字１２７，但实际上数码管分别分时段显示了数字１、２、７。
４　结语
仿真与实验相结合的教学模式，把实验教学从纯课堂教学变成了课堂上与课堂下相结合、硬件调试与软件仿真相结合的过程。这种教学模式降低了实验难度，增加了实验的趣味性、生动性，也解决了实验场地、实验设备和课堂实验时间有限的难题。通过使用计算机在线仿真，学生可以随时随地进行练习，对课堂上的实验教学起到很好的促进作用。经过２年多的教学实践探索，采用仿真与实验相结合的“单片机原理”教学效果显著，课堂上学生实验的达成度有了明显的提升，学生对单片机课程的学习兴趣大大提高。