基于虛擬仿真和ISP下載的AVR單片機實驗?zāi)Ｊ窖芯?/h1>
2013-12-23 05:18:32黃克亞
實驗技術(shù)與管理 2013年8期
黃克亞
（蘇州大學陽澄湖校區(qū)自動控制系，江蘇蘇州 215131）
單片機作為嵌入式系統(tǒng)的一個重要分支，目前已廣泛地應(yīng)用于智能化家用電器、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)自動化控制、智能化儀表、通信產(chǎn)品、汽車電子產(chǎn)品、航空航天、國防軍事等人類生活的各個領(lǐng)域。全國大中專院校電氣自動化專業(yè)、應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)、通信專業(yè)、機電專業(yè)等許多專業(yè)相繼開設(shè)了單片機課程。掌握單片機最好的方法是動手實踐。但目前高等學校單片機實踐教學存在控制芯片陳舊，功能有限，基本上還是以51單片機為主；商品化實驗系統(tǒng)的硬件固定且不完全透明，只能完成數(shù)量有限的驗證性實驗，絕大數(shù)學生是在“看實驗”而不是在“做實驗”；仿真器價格昂貴且不穩(wěn)定，編程器不利于反復修改程序。為此作者提出一種新的嵌入式系統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，?1單片機升級為AVR 單片機，大幅提升其控制性能，采用Proteus和CVAVR 軟件聯(lián)合仿真調(diào)試程序，利用ISP（in system programmable）技術(shù)在線更新下載程序。實踐證明，該模式具有控制芯片功能強，系統(tǒng)實現(xiàn)容易，實驗成本低，有利于提高學生的創(chuàng)新能力等優(yōu)點。
1 由51到AVR單片機
51單片機泛指所有采用Intel公司的MCS－51內(nèi)核結(jié)構(gòu)，或稱為與MCS－51兼容的那些單片機。國內(nèi)高校中單片機系統(tǒng)的課程與教學，20多年來基本上都是以51單片機作為構(gòu)成單片機系統(tǒng)的典型控制芯片來介紹，培養(yǎng)出大批熟悉、了解以及掌握51單片機的工程師和技術(shù)人員。因此，直到現(xiàn)在，國內(nèi)51單片機還是具有相當多的用戶，在大部分學校的教學中，還是采用51單片機作為學習的典型芯片。從應(yīng)用和市場的角度看，51單片機仍舊能夠滿足許多應(yīng)用系統(tǒng)的需求，并且具有價格低廉、參考資料和工程實例最多等優(yōu)點。除此之外，現(xiàn)在許多半導體公司和生產(chǎn)廠商也在不斷推出以MCS－51為內(nèi)核的多種類型和型號、經(jīng)過較大改進和擴展的51兼容SOC單片機，其性能比標準8051單片機要高得多，能夠滿足許多更高應(yīng)用需求［1］。
但是由于MCS－51本身內(nèi)核結(jié)構(gòu)的局限性，51單片機，尤其是標準51架構(gòu)的單片機，在性能、技術(shù)和軟硬件設(shè)計理念等多方面已經(jīng)落后，從技術(shù)角度看，已經(jīng)跟不上單片機流行和發(fā)展的趨勢。隨著單片機系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了許多新型的8 位芯片。其中ATMEL 公司AVR 單片機的發(fā)展尤為引人注目。AVR 單片機采用了RISC 結(jié)構(gòu)，其速度、內(nèi)存容量、外圍接口的集成度、向串行擴展和更適合使用高級語言編程等眾多特性，以及其所使用的開發(fā)技術(shù)和仿真調(diào)試技術(shù)等，都充分體現(xiàn)和代表了當前單片機嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。也正是由于這些顯著特點，再加上其極高的性價比，使得AVR 得到了廣泛的應(yīng)用，在短時間內(nèi)成為市場上的主流芯片之一。
從教育的長遠和發(fā)展眼光出發(fā)，我們的單片機教學與學習的目標應(yīng)該更高些，要相應(yīng)地改變教學內(nèi)容、教學方式和學習方式，充分體現(xiàn)和融入新的技術(shù)、新的軟硬件設(shè)計理念和方法，為培養(yǎng)適應(yīng)當今技術(shù)發(fā)展的嵌入式系統(tǒng)工程師打好堅實的基礎(chǔ)，以滿足社會對高水平人才的需求［2］。
2 虛擬仿真技術(shù)
傳統(tǒng)的單片機課程教學采用“先理論講解，再動手實驗”的教學模式，教學過程中以單片機原理為核心，用大量的原理來引導學生入門單片機的應(yīng)用只是點綴，這不僅使學生理解困難，感覺枯燥乏味，而且造成學生應(yīng)用能力不足；教學中將軟硬件分離介紹，對單片機軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計方法強調(diào)不夠，也使得學生在構(gòu)建實際的應(yīng)用系統(tǒng)時缺少系統(tǒng)化的思路。本文中將Proteus和CVAVR 軟件聯(lián)合使用，實現(xiàn)單片機軟硬件的仿真。這種方法用虛擬單片機代替實驗箱的硬件電路，形象具體，增強了學生的感性認識，有助于對單片機原理的理解。大量的教學實例通過軟件仿真，不僅節(jié)約了硬件資源，而且提高了教學效率［3］。
2.1 Proteus CVAVR 的基本特點
Proteus軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA 工具軟件。Proteus與其他電子仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。從某種意義上講，這種仿真彌補了實驗和工程應(yīng)用之間脫節(jié)的矛盾［4］。
CodeVision AVR 是HP Info Tech專門為AVR設(shè)計的一款低成本的C 語言編譯器，它產(chǎn)生的代碼非常嚴密，效率很高。它不僅包括了AVR C 編譯器，同時也是集成IDE 的AVR 開發(fā)平臺，簡稱CVAVR。與其他的C語言開發(fā)平臺相比較，CVAVR 對位（bit）變量的支持，大量擴展的對一些標準的外部器件支持和接口函數(shù)（如:標準字符LCD 顯示器、I2C 接口、SPI接口、延時函數(shù)等），以及方便地對EEPROM 的操作功能等特點更加適合一般人員的學習和使用。
2.2 聯(lián)合單片機系統(tǒng)的硬件仿真實現(xiàn)方法
基于Proteus和CVAVR 聯(lián)合單片機系統(tǒng)的硬件仿真具體實現(xiàn)方法如下:首先分析問題、確定設(shè)計方案，在Proteus 軟件中繪制電路原理圖，然后在CVAVR 軟件中使用C 語言編寫控制程序，并編譯生成HEX 文件，隨后進行軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試，即將Proteus硬件開發(fā)環(huán)境和CVAVR 軟件開發(fā)環(huán)境二者在計算機上結(jié)合使用，達到完美的單片機模擬開發(fā)全過程。
這種軟、硬件開發(fā)環(huán)境的結(jié)合使用方式有兩種，一種是靜態(tài)結(jié)合，一種是動態(tài)結(jié)合［5］。靜態(tài)結(jié)合仿真就是把CVAVR 軟件下生成的HEX 文件，嵌入Proteus軟件進行軟硬件模擬仿真；動態(tài)結(jié)合仿真就是利用Proteus軟件支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境的特點，把Proteus軟件和CVAVR 軟件動態(tài)連接，實現(xiàn)二者的動態(tài)實時仿真。為了簡單起見，實際應(yīng)用中一般采用靜態(tài)結(jié)合的方法。最后觀察實驗結(jié)果，單擊Proteus中的執(zhí)行按鈕，開始仿真，如果實驗沒有達到預(yù)期效果，可以很方便地修改硬件電路或軟件程序重新實驗，直到完全達到控制要求為止［6］。
3 USB－ISP在線下載技術(shù)
傳統(tǒng)的單片機實驗教學主要有兩種模式，一種是采用仿真器模擬單片機的開發(fā)模式，另一種是采用直接“燒寫程序”的方式。在用仿真器模擬單片機的開發(fā)模式下可以任意修改程序，支持單步、中斷等多種調(diào)試方式，有利于快速推進開發(fā)過程，但是仿真器價格昂貴，且穩(wěn)定性差，對實驗結(jié)果有一定的干擾。而采用將程序編譯生成的目標文件直接燒到單片機芯片中，然后再將單片機安裝到實驗板上的這種方式成本較低，但單片機需反復拔插，較為麻煩且容易損傷單片機引腳［7］。
近年來，USB通信技術(shù)和ISP（在系統(tǒng)可編程）技術(shù)均取得長足的發(fā)展，使得只需要一根USB數(shù)據(jù)線和簡單ISP電路即可將PC機上的目標程序輕松寫入到單片機芯片中去，而且支持在線更新，使實驗和調(diào)試變得十分容易。同時PC 機USB 端口提供的穩(wěn)定5V電源，也可以直接供實驗板使用。這些均為研發(fā)一種新型單片機實驗裝置提供了思路和技術(shù)支持［8］。
ISP在線下載電路主要實現(xiàn)PC 機與單片機USB通信功能，進而將PC 機上目標程序下載到實驗板的單片機芯片中去。如圖1所示，ISP電路主要由AVR單片機ATmega8L（U1），USB端口（P3），10針I(yè)SP接口（P1），自鎖按鈕（P4），復位按鈕（P2），工作指示燈（LED1、LED2），時鐘電路等組成。ATmega8L 單片機用于USB 串口協(xié)議的軟件模擬和ISP 下載操作。10針I(yè)SP接口用于對其他設(shè)有ISP 接口的單片機開發(fā)板下載程序，使用時只需將兩個ISP接口使用一10針排線連接即可。自鎖按鈕用于選擇是否將USB 電源供給實驗裝置；復位按鈕可以遠程復位目標板單片機系統(tǒng)。時鐘電路由外接晶振X1和微調(diào)電容C1、C2構(gòu)成。實驗系統(tǒng)電源有兩種選擇，一種方式是直接由PC機USB端口供電，另外一種方式是外接＋5V 直流電源，選擇哪一種供電方式由電路板上相應(yīng)跳線確定，在USB端口供電參數(shù)滿足實驗要求的條件下一般選擇USB供電方式［9］。
圖1 USB－ISP下載器原理圖
4 AVR單片機實驗?zāi)Ｊ?/h2>
采用理論－實驗一體化項目教學有利于克服傳統(tǒng)教學以章節(jié)為序、重理論、輕實踐的教學模式帶來困境。理－實一體的項目式教學作為一種具有職業(yè)教育特色的教學方式，有助于開展基于工作過程系統(tǒng)化的課程開發(fā)，優(yōu)化教學過程，并提高教學質(zhì)量和效率，改變了傳統(tǒng)的以驗證理論為目的的單片機實驗教學，使高職院校能夠根據(jù)崗位需求和經(jīng)濟發(fā)展組織教學。論文中提出的基于虛擬仿真和ISP 在線下載技術(shù)的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ綖槔碚摚瓕嶒炓惑w化項目教學提供了技術(shù)支持，而且更有利于提高學生單片機的綜合開發(fā)能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力［10］。
4.1 AVR單片機實驗過程
基于虛擬仿真和ISP在線下載技術(shù)的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ饺鐖D2 所示。首先明確實施項目設(shè)計任務(wù)，技術(shù)指標，合理劃分軟硬件功能，確定系統(tǒng)總體實施方案。然后同時開展軟硬件設(shè)計，硬件電路設(shè)計主要包括硬件邏輯框圖設(shè)計，合理選擇元器件，系統(tǒng)電路圖設(shè)計，在萬能板上完成電路制作并進行測試，測試完成之后在Proteus軟件中完成與實際電路相對應(yīng)的硬件仿真圖設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定實現(xiàn)算法，采用CVAVR 編寫控制程序，連接編譯成功之后生成目標文件（HEX 格式）。硬件和軟件設(shè)計均完成之后，則進入下一個環(huán)節(jié)，即采用Proteus軟件和CVAVR 軟件進行聯(lián)合仿真調(diào)試，檢驗系統(tǒng)控制功能是否實現(xiàn)，由于仿真電路和實際電路是完全相同的，其虛擬仿真的指導性很強的，而且仿真時可以設(shè)置連續(xù)、單步、中斷等調(diào)試方式，可以說虛擬仿真技術(shù)幾乎可以完全取代傳統(tǒng)的硬件仿真器。仿真通過后進入下一環(huán)節(jié)，即將目標程序通過自行制作的USB－ISP下載器下載到目標板上進行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試通過，則圓滿地完成項目設(shè)計任務(wù)，如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，則根據(jù)問題的不同轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段進行修改，直到系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部控制功能［11］。
4.2 實驗?zāi)Ｊ綄嵤嵗?/h3>
本文中以“LED 點陣實時溫度顯示系統(tǒng)”項目為例介紹基于虛擬仿真和ISP在線下載的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ綄嵤┻^程。
4.2.1 確定項目設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指示，給出系統(tǒng)總體實施方案
圖2 AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ娇驁D
本系統(tǒng)設(shè)計目標是能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場溫度，并將溫度值顯示在LED 點陣顯示器上。主控芯片選擇高性能、低功耗的8位AVR 微處理器ATMEGAl6。由于DSl8B20獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用MCU 的I／O 引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以選用DSl8B20作為溫度測量的傳感器［12］。LED 點陣選擇4片8×8點陣模塊拼成1片1 6×1 6點陣模塊，使用時需要將相應(yīng)的行線和列線并聯(lián)，控制時采用多個字符分時顯示的方式以顯示較多的信息，每個字符對應(yīng)的顯示碼是通過專用取字模軟件生成的，圖3為溫度單位“℃”的取字模界面。
圖3 字模提取軟件界面
4.2.2 完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，建立仿真電路和編寫控制程序并行聯(lián)合調(diào)試
首先在萬能電路板上完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。之所以選擇萬能板主要考慮若采用PCB 板開發(fā)周期較長且成本較高，若采用面包板雖然十分方便且比較經(jīng)濟，但面包板搭建的電路經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良，而且很難查找。萬能板價格便宜，制作電路不太會出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，特別是在萬能板電路制作過程需要學生考慮芯片的每一個引腳，每一條線路的實際連接，更有利于提高學生的動手能力和培養(yǎng)學生創(chuàng)新設(shè)計能力。接著完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，并在Proteus中建立仿真電路和用CVAVR 軟件編寫好控制程序，此時即可開展軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試，其仿真調(diào)試結(jié)果如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)聯(lián)合仿真調(diào)試結(jié)果圖
4.2.3 將生成的目標程序下載到控制芯片中，實現(xiàn)用虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換
將CVAVR 中生成的目標程序通過自制的USBISP編程器下載到萬能板上控制芯片中去，進行現(xiàn)場調(diào)試，實現(xiàn)由虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換。有些技術(shù)參數(shù)，比方說I／O 口的驅(qū)動能力，只有在板運行才能觀測出來?，F(xiàn)場調(diào)試運行效果如圖5所示，可見項目設(shè)計達到了預(yù)期目標，完成了設(shè)計任務(wù)，如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段進行修改，直到完全滿足控制要求為止。
圖5 現(xiàn)場調(diào)試效果圖
5 結(jié)束語
基于虛擬仿真和ISP在線下載的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ绞且詥纹瑱C系統(tǒng)開發(fā)過程中實際存在的項目為載體，便于推進“基于工作過程系統(tǒng)化”的項目式教學改革。該模式無需購買昂貴的實驗設(shè)備，既節(jié)約了實驗成本又便于項目及時更新，使得教學內(nèi)容可以緊跟技術(shù)前沿，學生的設(shè)計作品也充滿創(chuàng)意。由系統(tǒng)規(guī)劃到組織實施，由虛擬仿真到現(xiàn)場調(diào)試，模式涉及單片機系統(tǒng)應(yīng)用的全過程，既是教學、實驗和實訓過程，又是單片機系統(tǒng)開發(fā)過程，可以對學生單片機系統(tǒng)綜合應(yīng)用能力進行全方位的訓練?？傊?，論文中所提出的AVR 單片機新的實驗?zāi)Ｊ绞且环N低成本、高效率、訓練全面、更新容易的單片機系統(tǒng)教學和開發(fā)模式。
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1 由51到AVR單片機
51單片機泛指所有采用Intel公司的MCS－51內(nèi)核結(jié)構(gòu)，或稱為與MCS－51兼容的那些單片機。國內(nèi)高校中單片機系統(tǒng)的課程與教學，20多年來基本上都是以51單片機作為構(gòu)成單片機系統(tǒng)的典型控制芯片來介紹，培養(yǎng)出大批熟悉、了解以及掌握51單片機的工程師和技術(shù)人員。因此，直到現(xiàn)在，國內(nèi)51單片機還是具有相當多的用戶，在大部分學校的教學中，還是采用51單片機作為學習的典型芯片。從應(yīng)用和市場的角度看，51單片機仍舊能夠滿足許多應(yīng)用系統(tǒng)的需求，并且具有價格低廉、參考資料和工程實例最多等優(yōu)點。除此之外，現(xiàn)在許多半導體公司和生產(chǎn)廠商也在不斷推出以MCS－51為內(nèi)核的多種類型和型號、經(jīng)過較大改進和擴展的51兼容SOC單片機，其性能比標準8051單片機要高得多，能夠滿足許多更高應(yīng)用需求［1］。
但是由于MCS－51本身內(nèi)核結(jié)構(gòu)的局限性，51單片機，尤其是標準51架構(gòu)的單片機，在性能、技術(shù)和軟硬件設(shè)計理念等多方面已經(jīng)落后，從技術(shù)角度看，已經(jīng)跟不上單片機流行和發(fā)展的趨勢。隨著單片機系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了許多新型的8 位芯片。其中ATMEL 公司AVR 單片機的發(fā)展尤為引人注目。AVR 單片機采用了RISC 結(jié)構(gòu)，其速度、內(nèi)存容量、外圍接口的集成度、向串行擴展和更適合使用高級語言編程等眾多特性，以及其所使用的開發(fā)技術(shù)和仿真調(diào)試技術(shù)等，都充分體現(xiàn)和代表了當前單片機嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。也正是由于這些顯著特點，再加上其極高的性價比，使得AVR 得到了廣泛的應(yīng)用，在短時間內(nèi)成為市場上的主流芯片之一。
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2 虛擬仿真技術(shù)
傳統(tǒng)的單片機課程教學采用“先理論講解，再動手實驗”的教學模式，教學過程中以單片機原理為核心，用大量的原理來引導學生入門單片機的應(yīng)用只是點綴，這不僅使學生理解困難，感覺枯燥乏味，而且造成學生應(yīng)用能力不足；教學中將軟硬件分離介紹，對單片機軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計方法強調(diào)不夠，也使得學生在構(gòu)建實際的應(yīng)用系統(tǒng)時缺少系統(tǒng)化的思路。本文中將Proteus和CVAVR 軟件聯(lián)合使用，實現(xiàn)單片機軟硬件的仿真。這種方法用虛擬單片機代替實驗箱的硬件電路，形象具體，增強了學生的感性認識，有助于對單片機原理的理解。大量的教學實例通過軟件仿真，不僅節(jié)約了硬件資源，而且提高了教學效率［3］。
2.1 Proteus CVAVR 的基本特點
Proteus軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA 工具軟件。Proteus與其他電子仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。從某種意義上講，這種仿真彌補了實驗和工程應(yīng)用之間脫節(jié)的矛盾［4］。
CodeVision AVR 是HP Info Tech專門為AVR設(shè)計的一款低成本的C 語言編譯器，它產(chǎn)生的代碼非常嚴密，效率很高。它不僅包括了AVR C 編譯器，同時也是集成IDE 的AVR 開發(fā)平臺，簡稱CVAVR。與其他的C語言開發(fā)平臺相比較，CVAVR 對位（bit）變量的支持，大量擴展的對一些標準的外部器件支持和接口函數(shù)（如:標準字符LCD 顯示器、I2C 接口、SPI接口、延時函數(shù)等），以及方便地對EEPROM 的操作功能等特點更加適合一般人員的學習和使用。
2.2 聯(lián)合單片機系統(tǒng)的硬件仿真實現(xiàn)方法
基于Proteus和CVAVR 聯(lián)合單片機系統(tǒng)的硬件仿真具體實現(xiàn)方法如下:首先分析問題、確定設(shè)計方案，在Proteus 軟件中繪制電路原理圖，然后在CVAVR 軟件中使用C 語言編寫控制程序，并編譯生成HEX 文件，隨后進行軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試，即將Proteus硬件開發(fā)環(huán)境和CVAVR 軟件開發(fā)環(huán)境二者在計算機上結(jié)合使用，達到完美的單片機模擬開發(fā)全過程。
這種軟、硬件開發(fā)環(huán)境的結(jié)合使用方式有兩種，一種是靜態(tài)結(jié)合，一種是動態(tài)結(jié)合［5］。靜態(tài)結(jié)合仿真就是把CVAVR 軟件下生成的HEX 文件，嵌入Proteus軟件進行軟硬件模擬仿真；動態(tài)結(jié)合仿真就是利用Proteus軟件支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境的特點，把Proteus軟件和CVAVR 軟件動態(tài)連接，實現(xiàn)二者的動態(tài)實時仿真。為了簡單起見，實際應(yīng)用中一般采用靜態(tài)結(jié)合的方法。最后觀察實驗結(jié)果，單擊Proteus中的執(zhí)行按鈕，開始仿真，如果實驗沒有達到預(yù)期效果，可以很方便地修改硬件電路或軟件程序重新實驗，直到完全達到控制要求為止［6］。
3 USB－ISP在線下載技術(shù)
傳統(tǒng)的單片機實驗教學主要有兩種模式，一種是采用仿真器模擬單片機的開發(fā)模式，另一種是采用直接“燒寫程序”的方式。在用仿真器模擬單片機的開發(fā)模式下可以任意修改程序，支持單步、中斷等多種調(diào)試方式，有利于快速推進開發(fā)過程，但是仿真器價格昂貴，且穩(wěn)定性差，對實驗結(jié)果有一定的干擾。而采用將程序編譯生成的目標文件直接燒到單片機芯片中，然后再將單片機安裝到實驗板上的這種方式成本較低，但單片機需反復拔插，較為麻煩且容易損傷單片機引腳［7］。
近年來，USB通信技術(shù)和ISP（在系統(tǒng)可編程）技術(shù)均取得長足的發(fā)展，使得只需要一根USB數(shù)據(jù)線和簡單ISP電路即可將PC機上的目標程序輕松寫入到單片機芯片中去，而且支持在線更新，使實驗和調(diào)試變得十分容易。同時PC 機USB 端口提供的穩(wěn)定5V電源，也可以直接供實驗板使用。這些均為研發(fā)一種新型單片機實驗裝置提供了思路和技術(shù)支持［8］。
ISP在線下載電路主要實現(xiàn)PC 機與單片機USB通信功能，進而將PC 機上目標程序下載到實驗板的單片機芯片中去。如圖1所示，ISP電路主要由AVR單片機ATmega8L（U1），USB端口（P3），10針I(yè)SP接口（P1），自鎖按鈕（P4），復位按鈕（P2），工作指示燈（LED1、LED2），時鐘電路等組成。ATmega8L 單片機用于USB 串口協(xié)議的軟件模擬和ISP 下載操作。10針I(yè)SP接口用于對其他設(shè)有ISP 接口的單片機開發(fā)板下載程序，使用時只需將兩個ISP接口使用一10針排線連接即可。自鎖按鈕用于選擇是否將USB 電源供給實驗裝置；復位按鈕可以遠程復位目標板單片機系統(tǒng)。時鐘電路由外接晶振X1和微調(diào)電容C1、C2構(gòu)成。實驗系統(tǒng)電源有兩種選擇，一種方式是直接由PC機USB端口供電，另外一種方式是外接＋5V 直流電源，選擇哪一種供電方式由電路板上相應(yīng)跳線確定，在USB端口供電參數(shù)滿足實驗要求的條件下一般選擇USB供電方式［9］。
圖1 USB－ISP下載器原理圖
4 AVR單片機實驗?zāi)Ｊ?/h2>
采用理論－實驗一體化項目教學有利于克服傳統(tǒng)教學以章節(jié)為序、重理論、輕實踐的教學模式帶來困境。理－實一體的項目式教學作為一種具有職業(yè)教育特色的教學方式，有助于開展基于工作過程系統(tǒng)化的課程開發(fā)，優(yōu)化教學過程，并提高教學質(zhì)量和效率，改變了傳統(tǒng)的以驗證理論為目的的單片機實驗教學，使高職院校能夠根據(jù)崗位需求和經(jīng)濟發(fā)展組織教學。論文中提出的基于虛擬仿真和ISP 在線下載技術(shù)的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ綖槔碚摚瓕嶒炓惑w化項目教學提供了技術(shù)支持，而且更有利于提高學生單片機的綜合開發(fā)能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力［10］。
4.1 AVR單片機實驗過程
基于虛擬仿真和ISP在線下載技術(shù)的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ饺鐖D2 所示。首先明確實施項目設(shè)計任務(wù)，技術(shù)指標，合理劃分軟硬件功能，確定系統(tǒng)總體實施方案。然后同時開展軟硬件設(shè)計，硬件電路設(shè)計主要包括硬件邏輯框圖設(shè)計，合理選擇元器件，系統(tǒng)電路圖設(shè)計，在萬能板上完成電路制作并進行測試，測試完成之后在Proteus軟件中完成與實際電路相對應(yīng)的硬件仿真圖設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定實現(xiàn)算法，采用CVAVR 編寫控制程序，連接編譯成功之后生成目標文件（HEX 格式）。硬件和軟件設(shè)計均完成之后，則進入下一個環(huán)節(jié)，即采用Proteus軟件和CVAVR 軟件進行聯(lián)合仿真調(diào)試，檢驗系統(tǒng)控制功能是否實現(xiàn)，由于仿真電路和實際電路是完全相同的，其虛擬仿真的指導性很強的，而且仿真時可以設(shè)置連續(xù)、單步、中斷等調(diào)試方式，可以說虛擬仿真技術(shù)幾乎可以完全取代傳統(tǒng)的硬件仿真器。仿真通過后進入下一環(huán)節(jié)，即將目標程序通過自行制作的USB－ISP下載器下載到目標板上進行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試通過，則圓滿地完成項目設(shè)計任務(wù)，如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，則根據(jù)問題的不同轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段進行修改，直到系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部控制功能［11］。
4.2 實驗?zāi)Ｊ綄嵤嵗?/h3>
本文中以“LED 點陣實時溫度顯示系統(tǒng)”項目為例介紹基于虛擬仿真和ISP在線下載的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ綄嵤┻^程。
4.2.1 確定項目設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指示，給出系統(tǒng)總體實施方案
圖2 AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ娇驁D
本系統(tǒng)設(shè)計目標是能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場溫度，并將溫度值顯示在LED 點陣顯示器上。主控芯片選擇高性能、低功耗的8位AVR 微處理器ATMEGAl6。由于DSl8B20獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用MCU 的I／O 引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以選用DSl8B20作為溫度測量的傳感器［12］。LED 點陣選擇4片8×8點陣模塊拼成1片1 6×1 6點陣模塊，使用時需要將相應(yīng)的行線和列線并聯(lián)，控制時采用多個字符分時顯示的方式以顯示較多的信息，每個字符對應(yīng)的顯示碼是通過專用取字模軟件生成的，圖3為溫度單位“℃”的取字模界面。
圖3 字模提取軟件界面
4.2.2 完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，建立仿真電路和編寫控制程序并行聯(lián)合調(diào)試
首先在萬能電路板上完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。之所以選擇萬能板主要考慮若采用PCB 板開發(fā)周期較長且成本較高，若采用面包板雖然十分方便且比較經(jīng)濟，但面包板搭建的電路經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良，而且很難查找。萬能板價格便宜，制作電路不太會出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，特別是在萬能板電路制作過程需要學生考慮芯片的每一個引腳，每一條線路的實際連接，更有利于提高學生的動手能力和培養(yǎng)學生創(chuàng)新設(shè)計能力。接著完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，并在Proteus中建立仿真電路和用CVAVR 軟件編寫好控制程序，此時即可開展軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試，其仿真調(diào)試結(jié)果如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)聯(lián)合仿真調(diào)試結(jié)果圖
4.2.3 將生成的目標程序下載到控制芯片中，實現(xiàn)用虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換
將CVAVR 中生成的目標程序通過自制的USBISP編程器下載到萬能板上控制芯片中去，進行現(xiàn)場調(diào)試，實現(xiàn)由虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換。有些技術(shù)參數(shù)，比方說I／O 口的驅(qū)動能力，只有在板運行才能觀測出來?，F(xiàn)場調(diào)試運行效果如圖5所示，可見項目設(shè)計達到了預(yù)期目標，完成了設(shè)計任務(wù)，如果在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)階段進行修改，直到完全滿足控制要求為止。
圖5 現(xiàn)場調(diào)試效果圖
5 結(jié)束語
基于虛擬仿真和ISP在線下載的AVR 單片機實驗?zāi)Ｊ绞且詥纹瑱C系統(tǒng)開發(fā)過程中實際存在的項目為載體，便于推進“基于工作過程系統(tǒng)化”的項目式教學改革。該模式無需購買昂貴的實驗設(shè)備，既節(jié)約了實驗成本又便于項目及時更新，使得教學內(nèi)容可以緊跟技術(shù)前沿，學生的設(shè)計作品也充滿創(chuàng)意。由系統(tǒng)規(guī)劃到組織實施，由虛擬仿真到現(xiàn)場調(diào)試，模式涉及單片機系統(tǒng)應(yīng)用的全過程，既是教學、實驗和實訓過程，又是單片機系統(tǒng)開發(fā)過程，可以對學生單片機系統(tǒng)綜合應(yīng)用能力進行全方位的訓練?？傊?，論文中所提出的AVR 單片機新的實驗?zāi)Ｊ绞且环N低成本、高效率、訓練全面、更新容易的單片機系統(tǒng)教學和開發(fā)模式。
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