基于TPC-USB和Proteus的微機原理實驗應用仿真

彭文竹, 張 禹

(1. 集美大學 誠毅學院， 福建 廈門 361021； 2. 福建江夏學院 電子信息科學學院， 福州 350108)

基于TPC-USB和Proteus的微機原理實驗應用仿真

彭文竹1, 張 禹2

(1. 集美大學 誠毅學院， 福建 廈門 361021； 2. 福建江夏學院 電子信息科學學院， 福州 350108)

在現(xiàn)有微機實驗系統(tǒng)的基礎上，設計了基于TPC-USB和Proteus的新型微機接口仿真系統(tǒng)，并闡述利用該系統(tǒng)進行實驗綜合設計的新思路。以電壓報警系統(tǒng)的仿真實例，闡述利用該系統(tǒng)進行實驗仿真、調試的主要過程。實踐表明，在硬件設計實驗過程中，利用該微機仿真系統(tǒng)，通過Proteus進行原理圖編輯，并在 TPC-USB平臺采用匯編語言、C語言或混合編程方式進行源代碼編寫及運行調試，可以加深對微機原理知識點的理解，進一步調動學生積極性及提高微機原理實驗綜合設計能力。

微機原理； 譯碼電路； 仿真系統(tǒng)

0 引 言

“微機原理與接口技術”是高校電子信息工程、自動化、通信工程等電氣與電子信息工科類專業(yè)的基礎與核心課程。該課程以8086為主線，系統(tǒng)介紹微機原理的基本知識、基本組成、體系結構和工作模式，使學生從系統(tǒng)的角度出發(fā)，掌握微機原理的結構、工作流程、接口電路及其應用方法[1-3]。學生通過該課程的學習，能夠鞏固和加深對先修課程知識的理解，熟悉計算機的特點、結構和工作過程，對提高學生的計算機硬件及編程應用能力至關重要[4-6]。

由于傳統(tǒng)的微機原理接口實驗的硬件實驗系統(tǒng)線路已經確定，而且大部分電路原理的接線已經內部連好，學生僅需要對外部接口電路進行少量連線。其實驗過程主要是對程序部分的調試，缺乏電路原理設計的過程，并且受實驗教學資源的限制，學生僅能在有硬件實驗系統(tǒng)時才能進行實驗調試，極為不便[7]。因此，在原有實驗硬件教學平臺的基礎上，本文提出了一種基于TPC-USB和Proteus的微機接口綜合技術實驗仿真設計的方法，該實驗仿真技術能有效促進學生的學習興趣，提高學生微機原理設計、開發(fā)的綜合能力，使學生改變傳統(tǒng)的驗證性實驗思維方式，實現(xiàn)微機原理實驗的自主綜合設計。

1 TPC-USB和EDA技術的綜合仿真設計

1.1 新型綜合仿真應用系統(tǒng)設計流程

結合本校原有微機原理實驗平臺，將Proteus仿真平臺引入微機原理實驗教學中。在微機原理實驗中，Proteus軟件不僅可以支持8086等CPU芯片，還有各種外圍微機接口芯片，支持匯編、C語言及混合編程方式，還可以提供各種虛擬儀表，是實驗設備種類齊全且高效率的教學仿真實驗平臺[8-11]。

目前，在Proteus的微機原理實驗系統(tǒng)仿真中，大多采用MASM或者Emu8086匯編程序調試軟件結合仿真平臺進行實驗設計[12]。但是MASM調試工具只能調試匯編語言，且調試界面并不直觀，不支持斷點調試方式，使用極為不便；Emu8086是可直接在Windows界面下使用的集成開發(fā)環(huán)境，該軟件相比MASM界面簡單直觀，調試方便，但大多用在不涉及硬件電路匯編語言調試模式下，對外圍接口電路的硬件設計電路，該軟件無法實時和Proteus進行程序聯(lián)調。

因此，提出采用TPC-USB程序應用平臺結合EDA仿真技術的新型微機接口仿真模式，并設計相應接口電路，結合新型仿真平臺和硬件實驗系統(tǒng)完成綜合實驗項目的設計過程。具體設計思維及流程見圖1。

1.2 仿真系統(tǒng)地址譯碼電路的設計

現(xiàn)有微機綜合硬件實驗平臺由總線接口模塊、擴展實驗臺及集成實驗環(huán)境組成，總線接口模塊通過總線電纜與PC機連接，模塊與實驗臺之間由扁平電纜連接，通過該電纜將模塊產生的仿ISA總線信號連接到實驗臺。實驗臺上的I/O地址共有64個，選用280H-2BFH，分為Y0-Y7共8組輸出。該譯碼電路原理圖如圖2(a)所示。

針對原有I/O地址譯碼電路譯碼地址較少的局限性，在實驗仿真平臺中對該譯碼電路進行擴展，將該譯碼電路擴展為Y0～Y15共16組輸出，每組16個，I/O口地址共有256個，選用0000H～00FFH。擴展地址譯碼原理圖及其Proteus仿真如圖2(b)和圖3所示，硬件系統(tǒng)和仿真平臺I/O譯碼地址如表1所示。

圖1 實驗電路仿真及硬件設計流程圖

(a) 硬件I/O地址譯碼電路原理圖

(b) 仿真系統(tǒng)地址擴展譯碼電路

硬件系統(tǒng)8組I/O譯碼地址Proteus仿真平臺擴展后16組I/O譯碼地址0280H0000H0010H0288H0020H0030H0290H0040H0050H0298H0060H0070H02A0H0080H0090H02A8H00A0H00B0H02B0H00C0H00D0H02B8H00E0H00F0H

1.3 基于TPC-USB的仿真調試

在地址譯碼電路的基礎上，結合外圍接口電路，即可設計整體仿真電路，接口電路應用于矩陣鍵盤控制顯示電路框圖如圖4所示。

采用TPC-USB軟件開發(fā)集成環(huán)境結合Proteus進行仿真調試，該軟件集編輯、編譯、調試、實驗演示等功能，可以實時查看原理圖及程序，并能結合仿真軟件，實時通過硬件實驗箱進行仿真硬件調試，為微機原理教學中的不足以及實驗設備缺乏等問題提供一種新的解決方法。

TPC-USB調試界面如圖5所示，在程序調試過程中，可根據(jù)要求設計相應斷點，或者進行單步及連續(xù)調試方式。該軟件還包含有bochs圖形界面，該界面提供了強大的命令行調試功能，可以使用命令窗口直接輸入調試命令進行交互式調試。通過TPC-USB進行軟件編譯調試，將最終編譯的exe文件載入8086中進行仿真結果測試，并結合TPC-USB的硬件系統(tǒng)進行聯(lián)合調試。

圖3 擴展譯碼電路仿真圖

圖4 擴展譯碼電路應用范例

圖5 TPC-USB調試界面

2 仿真系統(tǒng)綜合應用設計案例

2.1 實驗設計要求

以微機綜合設計電路“電壓報警系統(tǒng)”為例，分析TPC-USB和Proteus聯(lián)合調試方法及步驟，本案例幾乎涵蓋微機接口技術中的大部分外圍接口芯片，包含可編程并行I/O接口芯片8255、可編程計數(shù)器/定時器8253和模/數(shù)轉換ADC0808等，具有很強的綜合性，主要在于提高學生靈活掌握應用多種微機接口芯片的綜合設計能力[13-16]。

實驗設計要求利用模數(shù)轉換芯片ADC0808實現(xiàn)模擬電壓的采集，通過7段數(shù)碼管顯示模擬電壓轉換后的數(shù)值，并對采集到的電壓值進行實時監(jiān)測，當電壓值超過所設置的警戒值時，通過報警電路以特定頻率的聲音報警。

該實驗要求需要掌握數(shù)碼管的靜態(tài)及動態(tài)顯示原理、報警電路的設計方案以及8255、8253及ADC0808等多種接口芯片的基本設計原則，通過在Proteus仿真平臺的設計過程，在TPC-USB軟件平臺的調試過程，掌握微機原理各種接口芯片的綜合應用。

2.2 實驗電路設計結構

該電壓報警電路主要由4個電路模塊組成，具體包含電路模塊如下。

(1) 8086最小模式系統(tǒng)及譯碼顯示部分。該部分為電路核心部分，主要包含鎖存器及4線-16線譯碼器74LS154譯碼電路，產生各種接口芯片選擇控制信號，從而控制8253及兩片并行接口芯片8255，并通過數(shù)據(jù)總線AD0-AD7和外圍電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(2) 電壓顯示控制部分。該電路通過8255可編

程并行接口芯片和4個數(shù)碼管組成，將電壓電路采集到的數(shù)據(jù)通過譯碼電路在數(shù)碼管上直觀顯示出來。

(3) 電壓采集部分。利用模數(shù)轉換芯片ADC0808完成從可變電阻采集的模擬電壓到數(shù)字電壓的轉換，并將轉換后數(shù)據(jù)通過8255進行實時傳輸。

(4) 脈沖信號產生及報警電路部分。利用8253可編程定時器產生固定頻率的周期信號，判斷所采集到的電壓數(shù)值是否超過預警值，并通過聲音報警電路進行報警。

2.3 仿真元件信息

該綜合電路在Proteus 7.8 SP2平臺上進行仿真，具體仿真元件信息見表2。整體電路和外圍電路仿真結果如圖6、7所示。

表2 實驗電路主要元件清單

圖6 整體電路仿真結果

圖7 外圍電路部分仿真結果

2.4 TPC-USB程序調試

程序采用匯編語言進行編寫，也可以采用匯編語言和C語言混合編程方式，直接在TPC-USB軟件平臺上書寫，通過TPC-USB進行編寫、編譯和調試后，將生成的EXE文件載入8086，作為8086程序文件。

2.5 綜合仿真結果

在Proteus中完成整體綜合電路設計后，將TPC-USB調試的可執(zhí)行文件程序載入8086中，然后進行仿真運行(見圖6和7)。界面上顯示的是當前得到的數(shù)字電壓值，通過調整可變電阻，可得到不同的模擬電壓，當電壓超過設定預警值時，將按照預定的程序發(fā)出警報提示。

3 結 語

通過探討TPC-USB軟件平臺結合EDA仿真技術在微機原理與接口系統(tǒng)設計中的綜合應用，創(chuàng)設了有利于學生在硬件限制下積極探索問題的研究平臺，將抽象的內容形象化，引領學生學會結合綜合仿真系統(tǒng)及硬件實驗系統(tǒng)設計接口技術問題的方法。并以8086和8255、8253及模數(shù)轉換AD0808等外圍電路構成的電壓綜合報警系統(tǒng)的設計及調試過程，探討了該新型綜合仿真調試平臺的應用，通過該方法，還可以設計出接口技術中所涉及到的所有外圍接口芯片的仿真應用實例。在設計過程中，使理論設計方案轉變?yōu)橥暾鎸嵉脑O計電路，深化對接口電路內容的理解，培養(yǎng)學生實驗的積極性，提高軟硬件設計、開發(fā)的綜合能力及解決實際問題的能力。

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Research on Simulation of Experimentof Microcomputer Principle Based on TPC-USB and Proteus

PENGWenzhu1，ZHANGYu2

(1. Chengyi University College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China; 2. Electronic and Information Science College, Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, China)

We design a new microcomputer interface simulation system using Proteus and TPC-USB based on the existing experimental system of microcomputer principles, and expound the experiment synthesis design method of this system. This paper describes the main process of simulation and debugging of the system based on the simulation of voltage alarm system. In the design process of hardware experimentation, we combine the computer simulation system with the Proteus schematic edit, and use assembly language, C language or mixed programming way source code to do writing, debugging and running in TPC-USB platform. Practice shows that the experiment can deepen the understanding of knowledge points of microcomputer principle, further mobilize the enthusiasm of the students and improve capabilities of microcomputer principle integrated design.

microcomputer principle; decoding circuit; simulation system

2016-09-25

福建省自然科學基金項目資助(2016J01751)；福建省教育廳中青年教師教育科研科技類基金項目資助(JAT160693);集美大學誠毅學院教育教學改革項目基金資助(c13033)

彭文竹(1982-)，男，福建泉州人，碩士，實驗師，研究方向：圖像處理。

Tel.：13779920721; E-mail：86800347@qq.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)05-0088-05