單片機課程實驗系統(tǒng)研制探析

丁坤 傅雯 史中權(quán)

摘要：研制了一種單片機課程實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)由電腦、仿真器、示波器、實驗板等主要部件構(gòu)成。自主研制了實驗系統(tǒng)的核心部件——實驗板，實驗板由多個實驗?zāi)K組成，可以滿足單片機課程的實驗教學(xué)要求。同時根據(jù)課程要求設(shè)計了12個實驗內(nèi)容。該實驗板上的各模塊間可以自主設(shè)計接線，具有較高的靈活性。

關(guān)鍵詞：單片機；實驗系統(tǒng)；實驗板

作者簡介：丁坤（1975-），男，福建泉州人，河海大學(xué)機電工程學(xué)院，副教授；傅雯（1964-），女，浙江衢州人，河海大學(xué)機電工程學(xué)院，高級實驗師。（江蘇 常州 213022）

基金項目：本文系2013年江蘇省高等教育教改研究立項課題（項目編號：2013JSJG121）、江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題（批準號：2013/01/011）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0127-02

單片機課程是高等院校電氣、自動化、計算機、機電控制等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。由于該課程是一門理論性、邏輯性和實踐性很強的課程，為了得到更好的教學(xué)效果，我國各高校都針對該課程開展了課程優(yōu)化和教學(xué)改革，并取得了一定的成績。[1-3]

單片機課程實驗環(huán)節(jié)是該課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，通過課程實驗不僅可以讓學(xué)生把在課堂上學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實踐，而且可以提高學(xué)生對各類電路的認知能力、設(shè)計能力以及動手能力。針對不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實驗要求，有些高校開發(fā)研制了適合本校要求的單片機課程實驗系統(tǒng)。[4-6]本文針對河海大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)的教學(xué)要求，研制了一種可滿足單片機課程實驗要求的單片機課程實驗系統(tǒng)。

一、課程設(shè)置基本情況

河海大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)的單片機課程教學(xué)以MCS-51系列單片機為授課內(nèi)容，分為“微機原理及應(yīng)用”和“接口技術(shù)”兩門課程?！拔C原理及應(yīng)用”課程的總學(xué)時數(shù)為48學(xué)時，其中課堂教學(xué)40學(xué)時，實驗教學(xué)8學(xué)時。課程的主要內(nèi)容包含單片機基礎(chǔ)知識、MCS-51系列單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路、MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)和程序設(shè)計方法、MCS-51系列單片機的功能模塊及其應(yīng)用?！敖涌诩夹g(shù)”課程的總學(xué)時數(shù)為32學(xué)時，其中課堂教學(xué)26學(xué)時，實驗教學(xué)6學(xué)時。課程的主要內(nèi)容包含：MCS-51系列單片機并行擴展原理、MCS-51系列單片機存儲器的擴展、MCS-51系列單片機并行接口的擴展、鍵盤顯示接口、A/D和D/A的基本原理和擴展方法、串行通信技術(shù)。所要研制的實驗系統(tǒng)需能滿足上述兩門課程的實驗教學(xué)要求。

二、實驗系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，本實驗系統(tǒng)由電腦、仿真器、示波器、實驗板等主要部件構(gòu)成。系統(tǒng)中電腦用于安裝仿真實驗軟件。示波器主要用于觀察D/A實驗輸出的電壓波形。仿真器采用南京萬利SE系列仿真器，該仿真器采用Client/Server結(jié)構(gòu)，無跳線、無按鍵、無開關(guān)，所有硬件配置和運行控制全由MedWin軟件調(diào)試器設(shè)置，可以完全仿真常見MCS-51系列單片機。配套的MedWin軟件集編輯、編譯/匯編、在線模擬調(diào)試于一體，VC風(fēng)格的用戶界面，完全支持Franklin/Keil C擴展OMF格式文件，支持所有變量類型及表達式。

實驗板是本單片機課程實驗系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，其設(shè)計時充分考慮了課程教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生動手能力培養(yǎng)、學(xué)生認知能力訓(xùn)練等方面的需求。本文所說實驗板完全自主研制。

三、實驗板研制

圖2是實驗板功能模塊實際分布的示意框圖。如圖2所示，該單片機仿真實驗板具備以下幾個功能模塊：

1.核心模塊

核心模塊由插入仿真頭的插座、74LS373、6264（RAM），以及引出引線的插孔構(gòu)成。核心模塊用于模擬MCS-51系列的單片機，構(gòu)成用于實驗的并行口、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，并且提供了8K的外部數(shù)據(jù)存貯器以做實驗。

2.A/D模塊

A/D模塊由ADC0809和一個頻率為500K的時鐘電路構(gòu)成。其中，ADC0809的通道選通信號、模擬輸入端口、控制信號全部引出到引線的插孔，可供A/D轉(zhuǎn)換實驗時自由使用。

3.D/A模塊

D/A模塊由DAC0832和運放電路構(gòu)成。其中，DAC0832的控制信號和經(jīng)運放電路處理后的D/A輸出信號引出到引線的插孔，可供D/A轉(zhuǎn)換實驗時自由使用。在該實驗時需要通過示波器觀察D/A輸出的電壓波形。

4.譯碼模塊

譯碼模塊由74LS138構(gòu)成，74LS138的3個輸入端和8個輸出端引出到引線的插孔，可供實驗自由使用。

5.串行模塊

串行模塊由74LS164和RS232電平轉(zhuǎn)換器MAX232兩個主要芯片構(gòu)成。74LS164可以做串行口方式0應(yīng)用實驗，RS232電平轉(zhuǎn)換器可以做串行通信實驗。74LS164的輸入控制盒輸出端口以及MAX232的TTL端口和RS232端口被引出到引線的插孔。

6.并行口模塊

并行口模塊由8155為主構(gòu)成。8155的控制總線、I/O口和計數(shù)器引腳被引出到引線的插孔。該模塊可以做關(guān)于8155的各種實驗。

7.指示燈模塊

指示燈模塊由8個LED發(fā)光二極管構(gòu)成，每個LED的陰極被引出到引線的插孔。該模塊可以做指示燈輸出相關(guān)實驗。

8.數(shù)碼管模塊

數(shù)碼管模塊由4個8位數(shù)碼管及其驅(qū)動電路組成。可以做動態(tài)顯示實驗。其中每個數(shù)碼管的公共端和每個段控制位被引出到引線的插孔。

9.鍵盤模塊

鍵盤模塊由一個4×4的小鍵盤構(gòu)成。鍵盤的4位行控制信號和4位列控制信號被引出到引線的插孔?？梢宰鲂辛惺芥I盤實驗。

10.模擬輸入模塊

模擬輸入模塊由2個電位器構(gòu)成，可以通過調(diào)節(jié)電位器得到不同的電壓值。其中，電位器的中間抽頭被引出到引線的插孔。

11.數(shù)字輸入模塊

數(shù)字輸入模塊由兩個8位的DIP開關(guān)組成，既可作為16位的數(shù)字量的輸入，又可作為單個開關(guān)量的輸入以做控制之用。每個DIP開關(guān)的輸出都被引出到引線的插孔。

在實驗過程中，各個模塊的接線都需要學(xué)生根據(jù)實驗要求設(shè)計接線并動手通過各個模塊引線的插孔進行接線，可以充分鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力。

四、實驗設(shè)計

根據(jù)研制的實驗板和“微機原理及應(yīng)用”、“接口技術(shù)”兩門課程的實驗要求，設(shè)計了12個實驗，其中7個“微機原理及應(yīng)用”課程實驗和5個“接口技術(shù)”課程實驗。“微機原理及應(yīng)用”課程實驗包括4個純軟件實驗和3個與硬件相關(guān)的實驗——并行口實驗、計數(shù)器/定時器實驗、外部中斷實驗?！敖涌诩夹g(shù)”課程實驗都是硬件相關(guān)的實驗——并行口擴展實驗、鍵盤顯示實驗、A/D、D/A轉(zhuǎn)換實驗、串行口方式0應(yīng)用實驗、雙機通訊實驗。

安排軟件實驗的目的是為了讓學(xué)生掌握仿真軟件的使用，熟悉所學(xué)的匯編指令，并且練習(xí)程序的編輯、匯編和調(diào)試及運行。

安排硬件實驗的目的是為了讓學(xué)生掌握上課所學(xué)的MCS-51系列單片機相關(guān)硬件知識，并且通過實驗應(yīng)用強化理解硬件和軟件的相結(jié)合。以并行口實驗為例，本實驗利用MCS-51單片機仿真實驗板的核心模塊（CPU）、指示燈模塊和數(shù)字輸入模塊。核心模塊中有MCS-51單片機的P0、P1、P2、P3的引出引腳供接線使用。指示燈模塊有8個LED，這8個LED分別由8個引腳控制，當(dāng)引腳為高電平時對應(yīng)的LED亮。數(shù)字輸入模塊由兩個8位的DIP開關(guān)組成，既可作為16位的數(shù)字量的輸入，又可作為單個開關(guān)量的輸入以做控制之用，當(dāng)DIP開關(guān)在OFF狀態(tài)時對應(yīng)的引腳輸出高電平，當(dāng)DIP開關(guān)在ON狀態(tài)時對應(yīng)的引腳輸出低電平。

實驗要求如下：

第一，利用軟件延時的方法使指示燈模塊中的LED按如圖3規(guī)律亮滅（間隔時間為500ms，當(dāng)某個LED亮?xí)r其他的LED全滅）。

可將核心模塊中P1口通過引腳與指示燈模塊的4個LED控制引腳對應(yīng)相接，然后通過編程控制P1口的狀態(tài)變化即可實現(xiàn)控制要求。

第二，用P1.0～P1.3口控制指示燈模塊中某4個LED的亮滅，用P1.4～P1.7口讀取數(shù)字輸入模塊中某4位的DIP開關(guān)的狀態(tài)，使得DIP開關(guān)的狀態(tài)與被P1.0～P1.3口控制的LED的亮滅狀態(tài)一一對應(yīng)。要求：當(dāng)DIP開關(guān)處于OFF狀態(tài)時其讀入引腳所對應(yīng)引腳控制的LED滅，當(dāng)DIP開關(guān)處于ON狀態(tài)時其讀入引腳所對應(yīng)引腳控制的LED亮。分別使用位操作和字節(jié)操作的方法編程。

對應(yīng)關(guān)系如下：P1.0與P1.4對應(yīng)、P1.1與P1.5對應(yīng)、P1.2與P1.6對應(yīng)、P1.3與P1.7對應(yīng)。

將核心模塊中P1.0～P1.3口通過引腳與指示燈模塊的前4個LED控制引腳對應(yīng)相接，將核心模塊中的P1.4～P1.5口通過引腳與數(shù)字輸入模塊中某4位的DIP開關(guān)對應(yīng)的引腳相接。

實驗過程中，學(xué)生要根據(jù)要求接好實驗板的接線，并編寫程序、調(diào)試試驗相關(guān)的實驗要求。通過該實驗可以使學(xué)生更進一步熟悉MCS—51系列單片機并行口等知識點的內(nèi)容。

五、使用效果

本文研制的單片機課程實驗系統(tǒng)在河海大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)的單片機課程實驗已投入使用多年，效果良好，尤其是自行研制的實驗板可以由學(xué)生自主接線，提高了學(xué)生對單片機系統(tǒng)的認識和動手能力。但是也存在著一些缺點，如：實驗板上的插孔在使用一段時間后由于失去彈性需要更換；學(xué)生實驗時的誤接線、誤操作會損壞實驗板上的芯片，這些方面都有待進一步改進。

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（責(zé)任編輯：孫晴）