虛擬仿真技術(shù)在測(cè)控總線技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

孫硯飛 王連猛 成艷亭

摘? 要：介紹了測(cè)控總線技術(shù)課程的特點(diǎn)及目前教學(xué)中存在的問題。以三單片機(jī)簡單接口通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹了基于電路輔助設(shè)計(jì)軟件Proteus的虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)直觀、靈活，且不受硬件和場(chǎng)地限制，可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合到課堂教學(xué)中去，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：測(cè)控總線;虛擬仿真;Proteus;儀器通信

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）10-0078-03

Abstract： The characteristics and present problems of the course Measurement & Control Bus Technology is introduced in this paper. By taking the design of a communication system between three MCU chips as example， the application of virtual simulation technology based on Proteus software is presented. The demonstration of virtual simulation experiments is more intuitive and flexible that could integrate the experiment teaching into the classroom teaching. Students' motivation can be effectively inspired and the teaching effectiveness will be improved consequently.

Keywords： Measurement & Control Bus; virtual simulation; Proteus; instruments communication

當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)推動(dòng)著過程控制系統(tǒng)與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的飛速發(fā)展，其中通信技術(shù)幫助系統(tǒng)完成信息的傳遞，是系統(tǒng)各部件有機(jī)結(jié)合并實(shí)現(xiàn)高度集成的基礎(chǔ)。測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)使測(cè)控系統(tǒng)的各部分從獨(dú)立的元器件發(fā)展到集成器件、個(gè)人儀器卡、嵌入式系統(tǒng)、多處理器自動(dòng)化裝置，再到集散控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器[1]。

測(cè)控總線技術(shù)是在此背景下面向測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)應(yīng)用課程，課程圍繞測(cè)控系統(tǒng)與儀器的通信技術(shù)，介紹了測(cè)控總線與儀器通信的一般原理和方法，課程主要講授的通信技術(shù)包括三個(gè)層次：芯片級(jí)、板卡級(jí)與設(shè)備級(jí)，如圖1。學(xué)生應(yīng)通過該課程的學(xué)習(xí)，掌握芯片、板卡、設(shè)備、微機(jī)之間進(jìn)行正確通信的方法，掌握硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，具有完成完整的儀器通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

圖1 課程教學(xué)層次

一、課程授課特點(diǎn)和目前存在的問題

測(cè)控總線技術(shù)課程是在學(xué)生先修了電子類以及微機(jī)類課程之后學(xué)習(xí)的綜合應(yīng)用型課程，從應(yīng)用角度出發(fā)，介紹常用總線的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)過程和應(yīng)用場(chǎng)合，一種總線即一個(gè)模塊，因此具有應(yīng)用綜合度高、內(nèi)容離散性強(qiáng)的特點(diǎn)。本課程開設(shè)時(shí)間較短，在目前教學(xué)過程中主要存在的問題有：

1. 目前的教學(xué)以課堂教學(xué)為主，并沒有設(shè)置實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。受課時(shí)和硬件條件限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也只能涵蓋很少內(nèi)容，而每一種總線技術(shù)都與應(yīng)用息息相關(guān)，如果不結(jié)合應(yīng)用實(shí)例介紹的話，很難保證學(xué)生真正學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)的能力。

2. 課程從應(yīng)用出發(fā)，介紹目前常用的各級(jí)通信方式，涉及內(nèi)容較多，內(nèi)容更新頻率高，目前尚沒有完全滿足教學(xué)內(nèi)容的教材，需要擴(kuò)展教材外的設(shè)計(jì)實(shí)例介紹。現(xiàn)有教材在使用過程中，也發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在不少錯(cuò)誤，有些錯(cuò)誤比較直觀，還有些是不經(jīng)過實(shí)踐測(cè)試就無法發(fā)現(xiàn)的紕漏，如果不能跟學(xué)生及時(shí)驗(yàn)證說明，也有可能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和今后的應(yīng)用造成混淆。

近年來為了提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果，一些虛擬仿真技術(shù)開始在課堂教學(xué)中廣泛應(yīng)用[2-4]，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將應(yīng)用實(shí)例的運(yùn)行情況形象地展示給學(xué)生，系統(tǒng)參數(shù)和模式的修改也容易實(shí)現(xiàn)，不受設(shè)備硬件的限制。學(xué)生在課堂上可以在個(gè)人電腦上進(jìn)行設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師演示和學(xué)生動(dòng)手操作全部融入課堂，打破課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、場(chǎng)地界限。

本課程在教學(xué)實(shí)施中，也逐步將虛擬仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)，芯片級(jí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了Proteus與Keil軟件聯(lián)調(diào)的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，板卡級(jí)和設(shè)備級(jí)的通信則采用虛擬儀器工具LabVIEW來進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，本文以課程中“簡單接口通信”單元中的三單片機(jī)通信系統(tǒng)為例，介紹利用Proteus和Keil進(jìn)行硬軟件設(shè)計(jì)并進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試的教學(xué)設(shè)計(jì)思路。

二、“三單片機(jī)通信”教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

在測(cè)控系統(tǒng)中，有時(shí)多點(diǎn)、多參數(shù)測(cè)量和控制需要由多個(gè)單片機(jī)協(xié)同完成，其中多個(gè)單片機(jī)之間的通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，本課程講授的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是三單片機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的是最基本的簡單接口技術(shù)，即利用單片機(jī)本身的接口實(shí)現(xiàn)通信。以MCS-51系列單片機(jī)為例，單片機(jī)本身有兩種通信接口：并口和串口。其中并口的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快，而串口通信的主要優(yōu)點(diǎn)是接口少，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[5]。為了掌握兩種通信方式的軟硬件設(shè)計(jì)，我們將A機(jī)和B機(jī)的通信設(shè)定為并行通信，B機(jī)和C機(jī)則采用串行通信。

（一）通信過程設(shè)計(jì)

以A機(jī)輸入測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送B機(jī)和C機(jī)為例，為保證傳輸同步、數(shù)據(jù)傳輸可靠，通信雙方需要了解對(duì)方的狀態(tài)，因此A、B機(jī)之間利用Intel8255A來進(jìn)行選通控制，B、C機(jī)之間的串口通信利用單片機(jī)串口發(fā)送/接收狀態(tài)標(biāo)志位了解傳送狀態(tài)，教材中給出的通信硬件電路通常為如圖2的方式。

可以看出，通信示意圖只是說明了三個(gè)單片機(jī)的位置關(guān)系、通信方式，并沒有具體的硬件連接，無法形象地讓學(xué)生確認(rèn)其通信過程如何實(shí)現(xiàn)，是否有效;通信過程中的握手聯(lián)絡(luò)是保障通信成功的重要因素，這需要由軟件來實(shí)現(xiàn)，此外教材中端口分配也出現(xiàn)了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，這都需要通過軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)并通過仿真驗(yàn)證讓學(xué)生有更深刻的了解。

（二）硬件電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)和仿真軟件Proteus中完成電路原理圖的設(shè)計(jì)，為了模擬數(shù)據(jù)傳送的過程，在A機(jī)輸入口連接按鍵序列，并行輸入按鍵狀態(tài)，按鍵的按下和斷開會(huì)在對(duì)應(yīng)端口輸入低電平和高電平，在B機(jī)和C機(jī)的一組端口接數(shù)碼管，將接收到的A機(jī)鍵盤狀態(tài)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)LED段碼點(diǎn)亮和熄滅以驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)正確傳輸。A機(jī)和B機(jī)之間利用Intel8255A的PA口的選通方式通信，A機(jī)用P2.6接8255A片選線，P2.2和P2.3接8255A的地址線A0和A1，P3.4接8255A的狀態(tài)線PC3。B機(jī)和C機(jī)利用單片機(jī)的全雙工串口通信，B機(jī)的TXD接C機(jī)的RXD，利用電路設(shè)計(jì)輔助軟件Proteus設(shè)計(jì)的完整通信電路如圖3。

（三）軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面提到的設(shè)計(jì)要求，要將A機(jī)P1端口輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)8255A的PA口并行傳輸?shù)紹機(jī)，設(shè)置8255A 的PA口工作于雙向選通方式，輸出數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)A機(jī)把數(shù)據(jù)寫入8255A，從PC7引腳送出輸出緩沖器滿信號(hào)，B機(jī)讀取到這一信號(hào)，可以從P0口輸入數(shù)據(jù);B機(jī)和C機(jī)串口設(shè)置工作于方式1，B機(jī)通過判斷串口發(fā)送中斷標(biāo)志TI判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，C機(jī)通過判斷串口接收中斷標(biāo)志位RI判斷何時(shí)可以接收數(shù)據(jù)。當(dāng)B機(jī)成功把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給C機(jī)之后，通過8255A的PC6告訴A機(jī)本次傳送已完成，可以發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。三個(gè)單片機(jī)的軟件流程如圖4。

（四）聯(lián)合仿真

利用Keil UV4軟件完成三個(gè)單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸源程序編寫，并編譯生成.HEX文件，在Proteus中分別將三個(gè)單片機(jī)的.HEX文件加載到對(duì)應(yīng)單片機(jī)中，點(diǎn)擊Proteus的運(yùn)行仿真按鈕，程序即可以運(yùn)行[6-8]。點(diǎn)擊按鍵改變按鍵狀態(tài)模擬輸入數(shù)據(jù)的變化，B機(jī)和C機(jī)的輸出都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，驗(yàn)證了通信過程的有效性，如圖3。如果在A機(jī)輸入端口添加一個(gè)如圖5所示的動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào)，從B機(jī)和C機(jī)的輸出端口接虛擬示波器，可以觀察到如圖6的波形，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)信號(hào)傳輸?shù)挠行?，這些不同模式、參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證只需在Proteus中作調(diào)整，不受任何硬件成本和場(chǎng)地的限制，這也是虛擬仿真在課程教學(xué)方面的最大優(yōu)勢(shì)。

三、結(jié)束語

本文以三單片機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹了基于電路輔助設(shè)計(jì)軟件Proteus的虛擬仿真技術(shù)在測(cè)控總線技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用。利用Proteus的電路輔助設(shè)計(jì)功能及豐富的虛擬仿真器件，將在KEIL UV4中編寫、調(diào)試編譯的單片機(jī)程序文件直接運(yùn)行，直觀地看到運(yùn)行結(jié)果更有助于學(xué)生理解原理、掌握方法、激發(fā)興趣。而且通信模式、參數(shù)的調(diào)整不受硬件條件限制。學(xué)生攜帶自己的筆記本電腦，可以在課堂上跟隨老師完成設(shè)計(jì)任務(wù)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶入課堂教學(xué)中去，打破課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間限制，實(shí)現(xiàn)完全融合，有效提高教學(xué)效果，使學(xué)生掌握基本的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，并具有靈活運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，為今后開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

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