基于仿真軟件的單片機(jī)虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

姜 韜，江國學(xué)

JIANG Tao, JIANG Guo-xue

（吉林省教育學(xué)院 教育技術(shù)系，吉林 130022）

0 引言

根據(jù)高職工科教育的目標(biāo)和特點，必須增加實踐性教學(xué)的課時，注重學(xué)生的實際操作能力及技能的培養(yǎng)。為此，實驗設(shè)備，尤其是開放性的實驗設(shè)備是不可缺少的。但是，眾多的課程都建相應(yīng)的實驗室,顯然是不太可能的，購買大量的耗材讓學(xué)生做出實物，在經(jīng)費(fèi)上也是一個不小的負(fù)擔(dān)。有沒有別的有效的實驗手段來支持實踐教學(xué)？能不能讓學(xué)生模擬實物制作來驗證所學(xué)，提高技能？答案是肯定的，那就是通過軟件仿真技術(shù)來達(dá)到這些要求。

目前各工科高校電類專業(yè)都建立了相應(yīng)的單片機(jī)實驗室，基本都配備了相應(yīng)的硬件仿真設(shè)備構(gòu)成的實驗板或試驗箱。隨著技術(shù)和產(chǎn)品的更新，原有的實驗設(shè)備即將過時，更新基本上相當(dāng)于重建，所以有些學(xué)校的單片機(jī)實驗室還只是基于8051的，像如今應(yīng)用普遍的AVR、PIC、ARM不能及時補(bǔ)充，造成了學(xué)生知識的欠缺。所以建設(shè)單片機(jī)仿真系統(tǒng)就尤為迫切，應(yīng)用仿真系統(tǒng)，不僅可以在計算機(jī)構(gòu)成的虛擬環(huán)境中設(shè)計電路，還可以對電路進(jìn)行模擬測試，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 引入單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)

伴隨著計算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準(zhǔn)確可靠的保證，同時節(jié)約了大量的人力和物力。電子信息技術(shù)領(lǐng)域也不例外，出現(xiàn)了大量的仿真工具，如各種EDA（Electronic Design Automation電子設(shè)計自動化）工具：模數(shù)混合仿真的Multisim、OrCAD、Protel等，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計仿真的Maxplus II、Fundation、Expert等，系統(tǒng)仿真軟件Systemview等。

但在EDA實驗室中配備的Multisim、Protel、Maxplus II、Systemview等軟件和配套硬件，對單片機(jī)的仿真卻無能為力，因此仍然需要建立單片機(jī)實驗室。單片機(jī)實驗室的建設(shè)中基本都是采用硬件仿真系統(tǒng)，所以為了保證實驗的順利開設(shè)，同一類型的硬件仿真開發(fā)系統(tǒng)就需要采購多套設(shè)備，硬件的投資成本相對較高。

另一個很重要的原因就是，目前單片機(jī)的課程除了主要開設(shè)8051系列單片機(jī)課程之外，還開設(shè)AVR系列、PIC等系列的選修課。為了保證相應(yīng)實驗的開設(shè)，必須要有配套的實驗系統(tǒng)。如果要保證一定的實驗硬件設(shè)備套數(shù)，這將是一筆更大的開支。所以在經(jīng)費(fèi)緊張的情況下，引入單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)就可以大大減少硬件設(shè)備的采購，同時降低對硬件設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的工作量。

2 單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)應(yīng)具有的功能

根據(jù)實驗?zāi)康模抡孳浖?yīng)該具有如下的功能。

1）單片機(jī)仿真和SPICE（Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis）電路仿真相結(jié)合

在仿真單片機(jī)系統(tǒng)時，不僅需要知道單片機(jī)內(nèi)部各種寄存器、數(shù)據(jù)存儲器以及各個端口當(dāng)前的狀態(tài)，更重要的是要完成人機(jī)通道、前向通道、后向通道的配置與接口。在這些接口電路中，有許多是模擬電路，而模擬電路的仿真就需要SPICE模型，因此必須要求該系統(tǒng)具有SPICE電路仿真功能。傳統(tǒng)仿真和分析只能針對非智能器件，而單片機(jī)仿真則可以針對單片機(jī)甚至更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實時地對外圍電路同步仿真，大大利于相關(guān)項目的開發(fā)和應(yīng)用。

2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真

目前廣泛采用的單片機(jī)系統(tǒng)有6800系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、HC11系列等。因為不可能為每一個系列的單片機(jī)配備一套軟件，所以要求該軟件盡可能將多個系列的單片機(jī)集成在一起。

3）提供軟件調(diào)試功能

在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能，同時要支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境。只有這樣，經(jīng)過該單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)訓(xùn)練的學(xué)生，才能夠較快地熟悉和使用真正的硬件仿真系統(tǒng)。

4）提供豐富的外圍接口器件

外圍接口不能僅僅限于僅有的幾個器件，要把常用的電子元器件盡可能地囊括其中，使之更接近實際工作。在學(xué)生訓(xùn)練時，可以選擇不同的方案進(jìn)行比較，這樣更利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和電路設(shè)計能力。

5）提供豐富的虛擬儀器

在仿真過程中可以利用虛擬儀器測量外圍電路的特性，培養(yǎng)學(xué)生實際硬件的調(diào)試能力。

6）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。

3 單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)實驗室的配置方案

根據(jù)上述對軟件的要求，并對多種軟件進(jìn)行對比，我們認(rèn)為Proteus是目前較好的單片機(jī)仿真系統(tǒng)，編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil C51 uVision3軟件，再輔以必要的硬件仿真器、實驗板、編程器和示波器即可構(gòu)成功能強(qiáng)大、使用方便、易于被學(xué)生掌握的單片機(jī)實驗室。

1）軟件仿真系統(tǒng)選用Proteus的ISIS（Intelligent Schematic Input System）

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。由ISIS(原理圖設(shè)計與仿真平臺)和ARES（Advanced Routing and Editing Software。高級布線和編輯軟件平臺）組成，真正實現(xiàn)了在計算機(jī)上完成從原理圖、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到PCB板生成的完整的電子產(chǎn)品研發(fā)過程。

該軟件的主要功能有：

（1）滿足我們提出的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)應(yīng)具有的功能，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。

（2）具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能，有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等，使得相關(guān)實驗更直觀，方便，更加有利于教學(xué)應(yīng)用。

（3）支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。

（4）支持大量的存儲器和外圍芯片。

2）編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil C51 uVision3軟件

該軟件支持眾多不同公司的MCS-51架構(gòu)的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計。在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能，很多應(yīng)用MCS-51的工程師都在使用該軟件。所以使用該軟件將使學(xué)生獲得很多實際工作經(jīng)驗，并且通過設(shè)置可與ISIS聯(lián)機(jī)調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)。

3）配置計算機(jī)平臺

上面介紹的這兩款軟件，對機(jī)器的配置要求都不高，主流的計算機(jī)運(yùn)行起來綽綽有余。至于計算機(jī)的數(shù)量，要根據(jù)實驗室的規(guī)模來確定。我們按標(biāo)準(zhǔn)實驗小組人數(shù)的數(shù)量配置，基本保證每人一臺。

4）配置硬件仿真器、實驗板、編程器和示波器等

單片機(jī)課程安排了10個左右的實驗。這10個實驗都是比較常規(guī)的實驗，不需要特殊的器件，所以每門課的實驗首先都是通過單片機(jī)仿真軟件實現(xiàn)的。為了讓學(xué)生的訓(xùn)練不脫離實際，給學(xué)生提供硬件仿真和驗證的機(jī)會，我們的做法是：學(xué)生自己繪制原理圖，自己編制程序，在仿真軟件里首先調(diào)試通過。調(diào)試通過后，將自己編譯好的程序用編程器去燒錄，然后在目標(biāo)實驗板去觀察運(yùn)行結(jié)果。如果有問題，再連接硬件仿真器去調(diào)試、分析。

配置有限的硬件設(shè)備，將節(jié)約的資金用于購買仿真軟件（使用試用版做試驗也足夠用了，更是省去了不少的花銷），這樣我們用有限的資金解決了單片機(jī)實驗室的建設(shè)問題，對于經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)校有一定的借鑒價值。

4 Proteus與Keil的聯(lián)機(jī)調(diào)試設(shè)置

兩個軟件安裝后，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能實現(xiàn)聯(lián)合的仿真功能。

1）在單片機(jī)實驗室每臺電腦上安裝Proteus和Keil uVision3軟件。

2）把Proteus安裝目錄下VDM51.dll(C：Program filesLabcenter ElectronicsProteus6 ProfessionalMODELS)文件復(fù)制到keil安裝目錄下的c51in中。

3）編輯keil目錄下tools.ini文件，在[C51]項下，加入TDRV5=BINVDM51.DLL。

4）確定單片機(jī)實驗?zāi)康摹?/p>

5）打開Proteus ISIS軟件。設(shè)計單片機(jī)實驗硬件組成框圖，建立硬件連接原理圖。

6）打開Keil uVison3軟件。建立單片機(jī)系統(tǒng)軟件工程，針對實驗要求編制程序。

7）在Keil軟件中，選擇菜單“project-Options for Target 'Target1'”,在出現(xiàn)的對話框中，選擇“Output”頁面，選中，“create Hex File”選項;選擇“Debug”頁面，選中“Use-PROTEUS VSM DRIVER”，進(jìn)入“Settings”，Host設(shè)為127.0.0.1,Port設(shè)為8000。

8）在Proteus ISIS軟件中，選擇菜中“Source”-“Add/Remove Source Code Files”，在出現(xiàn)的對話框中，點擊“Chang”按鈕，選擇從Keil uVison3軟件工程中所生成的HEX文件，點擊“OK”。在Debug菜單下選中，“Use Remote Debug Monitor”。

9）在Keil uVison3軟件中直接進(jìn)行仿真，連續(xù)運(yùn)行或單步運(yùn)行，即可在Proteus ISIS軟件中看到單片機(jī)硬件仿真運(yùn)行結(jié)果。

在聯(lián)機(jī)調(diào)試中，單片機(jī)軟件仿真平臺建立過程為(1)—(3)項，實驗過程為(4)—(9)項。

5 單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)實驗室的創(chuàng)新應(yīng)用

建立了單片機(jī)軟件仿真平臺的實驗室后，實驗、教學(xué)和學(xué)生的創(chuàng)新實驗都發(fā)生了很多的變化，學(xué)生興趣大增，實際動手能力顯著增強(qiáng)。

首先，實驗項目數(shù)穩(wěn)步增加，并已實現(xiàn)該課程實驗獨(dú)立設(shè)課，并逐步向半開放實驗?zāi)Ｊ竭~進(jìn)；其次，課程設(shè)計，已由原來固定時間、固定題目向現(xiàn)在的全開放、分散型自主模式過渡。再次，改進(jìn)了教學(xué)方式。在單片機(jī)教學(xué)過程中，應(yīng)用仿真系統(tǒng)，對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行演示教學(xué)。學(xué)生在老師的啟發(fā)下，親自動手完成單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、軟件調(diào)試、仿真。

同時，我們建立了創(chuàng)新綜合實驗室，為學(xué)生搭建了基于單片機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)新平臺。創(chuàng)新實驗室由電子制作小組具體負(fù)責(zé)，全天候?qū)ν忾_放。通過這個實驗室，加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和使用單片機(jī)的實踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，達(dá)到了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力的目的。幾年來，開展了多項單片機(jī)制作活動，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)項目制作，極大地提高了學(xué)生的單片機(jī)實際應(yīng)用能力。

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