基于虛擬仿真軟件的單片機(jī)串行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐敏

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116037）

目前，高職院校的單片機(jī)課程教學(xué)多是采取“理實(shí)一體化”的形式，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生掌握相應(yīng)的單片機(jī)理論知識(shí)，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生能夠應(yīng)用所掌握的理論知識(shí)完成設(shè)計(jì)要求。 兩個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成，互為支撐。 但是，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，2 個(gè)環(huán)節(jié)都存在一些問(wèn)題[1]。理論教學(xué)中存在 “硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不好講”、“軟件控制過(guò)程不好講”和“擴(kuò)展應(yīng)用連接控制不好講”3 個(gè)問(wèn)題。實(shí)踐教學(xué)中存在“實(shí)驗(yàn)臺(tái)局限”、“實(shí)踐場(chǎng)地局限”和“單片機(jī)種類(lèi)局限”3 個(gè)問(wèn)題。 由于上述存在的問(wèn)題，很大程度上限制了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

為了解決上述理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中引入仿真軟件，一方面為單片機(jī)課程教學(xué)提供便捷的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，并能更好地展開(kāi)教學(xué)，使教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)直觀的講解，便于同學(xué)們理解單片機(jī)的理論知識(shí)；另一方面，為學(xué)生自學(xué)提供了便捷的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，不僅使學(xué)生掌握目前企業(yè)主要使用的軟件，自己構(gòu)建企業(yè)實(shí)際單片開(kāi)發(fā)環(huán)境，還可以通過(guò)軟件的使用理解單片機(jī)的知識(shí)，并進(jìn)一步提高自己應(yīng)用單片機(jī)的能力，這樣也能更好系統(tǒng)的掌握開(kāi)發(fā)方法，增強(qiáng)自己的實(shí)踐能力，培養(yǎng)科學(xué)研究的興趣，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試，增加學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)基于單片機(jī)的雙向串行通信控制教學(xué)系統(tǒng)為例。 學(xué)生可以通過(guò)該系統(tǒng)了解串行通信協(xié)議的相關(guān)原理和應(yīng)用。在該控制系統(tǒng)中，通過(guò)PROTEUS 仿真軟件搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)[2]，再通過(guò)KEIL 軟件編輯和編譯系統(tǒng)的軟件代碼[3]，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單片機(jī)之間雙向數(shù)據(jù)串行通信[4]系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 為了使系統(tǒng)功能更加完善，系統(tǒng)中還能顯示發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)， 也可以通過(guò)PROTEUS 仿真軟件示波器觀察測(cè)試通信過(guò)程。 通過(guò)示波器測(cè)試數(shù)據(jù)波形，能夠很好理解通信協(xié)議中有關(guān)數(shù)據(jù)格式的規(guī)定，通過(guò)示波器測(cè)試的管腳電壓波形變化， 能夠很好理解通信協(xié)議中有關(guān)發(fā)送接收動(dòng)作的規(guī)定，從而更好地理解串行通信協(xié)議[5]。 并能夠以此進(jìn)行多機(jī)通信的擴(kuò)展，也可以進(jìn)行其他通信協(xié)議的擴(kuò)展。

1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)單片機(jī)串行通信控制教學(xué)系統(tǒng)的要求，將整個(gè)系統(tǒng)按照功能劃分為控制模塊、通信模塊、顯示模塊和測(cè)試模塊4個(gè)部分。 如圖1 所示。

圖1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖Fig. 1 Structure diagram of the serial communication teaching system

其中控制模塊主要是2 個(gè)單片機(jī)， 作為系統(tǒng)的核心部件，完成電源控制、時(shí)鐘控制和復(fù)位控制；通信模塊是2 個(gè)單片機(jī)之間的連接部分， 主要構(gòu)成數(shù)據(jù)發(fā)送通道和接收通道，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的雙向傳送；顯示模塊是LED 顯示器件，每個(gè)單片機(jī)側(cè)都有發(fā)送數(shù)據(jù)顯示部分和接收數(shù)據(jù)顯示部分，主要用于顯示將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)； 測(cè)試模塊是PROTEUS 軟件自帶的仿真示波器， 主要負(fù)責(zé)測(cè)試通信數(shù)據(jù)格式和通信動(dòng)作時(shí)序。

2 基于Proteus 仿真軟件搭建硬件平臺(tái)

使用Proteus 仿真軟件， 根據(jù)不同功能模塊的要求搭建仿真的硬件平臺(tái)。 具體如圖2 所示。

圖2 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的硬件電路圖Fig. 2 Hardware of the serial communication teaching system

首先，進(jìn)行控制模塊的硬件設(shè)計(jì)。 主要選擇器件，根據(jù)該教學(xué)系統(tǒng)中存儲(chǔ)空間和通信引腳的要求， 選擇AT89C51，內(nèi)部ROM 有4 k 字節(jié)，內(nèi)部RAM 有128 字節(jié)，有一個(gè)全雙工的UART 端口。 電源采用+5 V，時(shí)鐘電路外接12 MHz 晶振，在RST 引腳上引起2 個(gè)機(jī)器周期之上的高電平可以復(fù)位單片機(jī)。

第二步，進(jìn)行通信模塊的硬件設(shè)計(jì)。 全雙工雙向通信是不能共用數(shù)據(jù)通道的， 因此需要搭建專(zhuān)門(mén)的雙向數(shù)據(jù)通道。發(fā)送數(shù)據(jù)的單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)TXD 引腳發(fā)送， 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)通道，傳送到接收數(shù)據(jù)的單片機(jī)的RXD 引腳。 發(fā)送數(shù)據(jù)的單片機(jī)作為主設(shè)備控制發(fā)送的數(shù)據(jù)和動(dòng)作。 2 個(gè)單片機(jī)可以交替進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)通信。

第三步，進(jìn)行顯示模塊的的硬件設(shè)計(jì)。 由于該教學(xué)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是簡(jiǎn)單的單個(gè)字符， 因此選擇共陽(yáng)極的7 段LED 數(shù)碼管就足夠顯示數(shù)據(jù)。 在單片機(jī)將要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先送到顯示模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)顯示部分顯示， 然后發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)后也送到顯示模塊中接收數(shù)據(jù)顯示部分顯示。 這樣，可以直觀地觀察到雙向串行通信的運(yùn)行結(jié)果。

最后，進(jìn)行測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)。 此處，并不是采用實(shí)際的示波器，主要是考慮到學(xué)生自學(xué)過(guò)程中不具備這樣的條件。 取而代之的是Proteus 軟件自帶的仿真示波器， 只要安裝了Proteus 軟件就可以使用仿真示波器。

3 基于KEIL 軟件編輯編譯軟件系統(tǒng)

使用KEIL 軟件，主要完成控制模塊、通信模塊和顯示模塊的軟件代碼的編輯編譯[6]。

首先，進(jìn)行控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。 按照?qǐng)D3 的軟件流程，控制模塊主要完成系統(tǒng)初始化、 串行通信控制和顯示控制3個(gè)部分。系統(tǒng)初始化完成存儲(chǔ)器、引腳和中斷的初始化。串行通信控制主要根據(jù)串行中斷狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳輸[7]。 顯示控制主要根據(jù)通信狀態(tài)完成數(shù)據(jù)顯示。

第二，進(jìn)行通信模塊的軟件設(shè)計(jì)。 主要分為發(fā)送數(shù)據(jù)部分和接收數(shù)據(jù)2 個(gè)部分。 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送數(shù)據(jù)送至發(fā)送緩存中，引起發(fā)送中斷，然后通過(guò)TXD 引腳串行發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)RXD 引腳串行接收到接收緩存中，引起接收中斷。

第三，進(jìn)行顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)[8]。 在即將發(fā)送數(shù)據(jù)前和接收到數(shù)據(jù)后顯示數(shù)據(jù)。

圖3 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的主程序流程圖Fig. 3 Flow chart of the serial communication teaching system

4 基于Proteus 軟件驗(yàn)證系統(tǒng)

系統(tǒng)的正確性包括數(shù)據(jù)正確性、通信數(shù)據(jù)格式正確性和通信動(dòng)作正確性。

首先，設(shè)置仿真示波器的測(cè)試引腳和測(cè)試環(huán)境參數(shù)，調(diào)節(jié)完成后， 就可以通過(guò)仿真示波器觀察到通信數(shù)據(jù)和引腳時(shí)序，保存觀察結(jié)果便于進(jìn)行分析[9]。 其中測(cè)試引腳包括TXD 和RXD 引腳。 測(cè)試環(huán)境參數(shù)包括數(shù)據(jù)通道、掃描時(shí)間系數(shù)等參數(shù)。

其次，分析數(shù)據(jù)正確性，可以通過(guò)顯示模塊直觀分析。 將觀察的測(cè)試結(jié)果記錄如表1 所示。

根據(jù)表1 可以看出，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送字符‘0’，乙機(jī)接收到后通過(guò)數(shù)碼管顯示結(jié)果也為‘0’，說(shuō)明發(fā)送數(shù)據(jù)正確。 然后乙機(jī)再回送字符‘1’給甲機(jī)，甲機(jī)接收到后通過(guò)數(shù)碼管顯示結(jié)果也為‘1’，說(shuō)明接收數(shù)據(jù)正確。 通過(guò)串行通信教學(xué)系統(tǒng)的顯示模塊直觀觀察結(jié)果，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳送正確。

表1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Test result of the serial communication teaching system

最后，分析通信數(shù)據(jù)格式，觀察起始位、停止位和數(shù)據(jù)位。 最后觀察通信動(dòng)作時(shí)序。

圖4 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式Fig. 4 Data format of the serial communication teaching system

根據(jù)圖4 可以看出，甲機(jī)和乙機(jī)采用單片機(jī)串行通信工作方式1，為波特率可變的8 位異步通信口，數(shù)據(jù)為10 位，即1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位（低位在先，高位在前）和1 個(gè)停止位。 參照串行通信工作方式1 的時(shí)序圖，可以看出，除了起始位和停止位，發(fā)送的字符‘2’的共陽(yáng)極段選碼為0xA4，發(fā)送的字符‘3’的共陽(yáng)極段選碼為0xB0。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用Proteus 仿真軟件設(shè)計(jì)硬件電路， 結(jié)合Keil 軟件設(shè)計(jì)程序，最終形成單片機(jī)串行通信教學(xué)系統(tǒng)。 該教學(xué)系統(tǒng)不僅可以完成內(nèi)容難度較大的串行通信的講解，在教學(xué)過(guò)程中把教學(xué)內(nèi)容直觀地展示給學(xué)生，同時(shí)也教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)通信協(xié)議的方法，使學(xué)生具有使用串行通信的能力；還可以完成多種通信協(xié)議的擴(kuò)展，并且不局限于單片機(jī)種類(lèi)，也不局限于硬件電路和使用場(chǎng)地，有利于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)多種通信協(xié)議，使學(xué)生具有單片機(jī)通信接口擴(kuò)展的能力。

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