單片機(jī)程序設(shè)計(jì)模擬仿真的研究與實(shí)踐

李志強(qiáng)，向 卓，眭仁武

（衡陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”是一門(mén)邏輯性較強(qiáng)的實(shí)踐課程，核心內(nèi)容是單片機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)[1]。學(xué)生在初學(xué)程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中常受到語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤的困擾，語(yǔ)法錯(cuò)誤可根據(jù)編譯器的編譯提示進(jìn)行修改，而邏輯錯(cuò)誤需由程序設(shè)計(jì)者通過(guò)編程調(diào)試來(lái)糾正[2-3]。因此，積極探索“單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)”的模擬仿真，可以加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)程序運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行效果的理解，充分利用仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化過(guò)程學(xué)習(xí)，提高“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。本研究將從模擬仿真內(nèi)容、模擬仿真實(shí)踐和仿真結(jié)果3個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 研究模擬仿真內(nèi)容

近年來(lái)，單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)大多采用德國(guó)Keil 51單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。初次運(yùn)用Keil進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者并不太清楚程序在單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行原理，很可能達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，需通過(guò)仿真過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)程序的邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行分析、調(diào)試和糾正。該仿真過(guò)程可通過(guò)硬件仿真器的“實(shí)時(shí)”在線仿真和軟件的模擬仿真實(shí)現(xiàn)。采用硬件“實(shí)時(shí)”在線仿真可以真實(shí)地呈現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，方便觀察運(yùn)行結(jié)果，并及時(shí)解決相關(guān)問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格較高。采用軟件模擬仿真，僅需在PC機(jī)的仿真軟件上設(shè)置相應(yīng)的條件，來(lái)模擬單片機(jī)實(shí)際運(yùn)行的條件，進(jìn)而觀察程序的運(yùn)行狀況，方便簡(jiǎn)易的軟件模擬仿真，更適合學(xué)生入門(mén)階段的程序?qū)W習(xí)。

初學(xué)單片機(jī)時(shí)，編寫(xiě)的第一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用程序常為點(diǎn)亮發(fā)光二極管，若通過(guò)模擬仿真讓初學(xué)者觀察單片機(jī)輸入/輸出（Input/Output，I/O）端口上的高低電平變化情況，可以幫助學(xué)生更好地理解單片機(jī)程序的運(yùn)行過(guò)程。當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)，若需獲取外部狀態(tài)，在Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下讀取I/O端口外部輸入電平，讀入的電平值均為高電平，顯然讀入結(jié)果不準(zhǔn)確[4]。為了讓單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)獲取真實(shí)的外部狀態(tài)條件，可通過(guò)模擬設(shè)置外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。Keil 51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的模擬器能模擬51單片機(jī)內(nèi)部特性和外部設(shè)備（I/O口、中斷、串行、定時(shí)等）的運(yùn)行情況。采用Keil 51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境模擬器調(diào)試單片機(jī)程序既方便又能排除硬件錯(cuò)誤，在單片機(jī)程序模擬仿真時(shí)，可以設(shè)置斷點(diǎn)、單步、全速、進(jìn)入某個(gè)程序的內(nèi)部運(yùn)行來(lái)查看變量的變化過(guò)程、I/O端口電平狀態(tài)變化、代碼執(zhí)行時(shí)間等信息。

2 模擬仿真實(shí)踐

單片機(jī)應(yīng)用程序模擬仿真實(shí)踐主要從單片機(jī)I/O端口輸出和輸入、代碼執(zhí)行時(shí)間、中斷響應(yīng)、串口通信等方面開(kāi)展。

2.1 I/O端口輸出

點(diǎn)亮發(fā)光二極管是通過(guò)程序來(lái)控制單片機(jī)I/O端口，打開(kāi)I/O端口，查看I/O端口運(yùn)行情況，圖1（a）為P1口的第0位，為高電平；程序運(yùn)行后為低電平，如圖1（b）所示。

2.2 代碼執(zhí)行時(shí)間

單片機(jī)程序從啟動(dòng)到圖2（a）光標(biāo)處用時(shí)為194.50 μs，當(dāng)程序執(zhí)行完兩個(gè)for循環(huán)到圖2（b）光標(biāo)處時(shí)，總用時(shí)為639.00 μs，也就是說(shuō)，單片機(jī)在執(zhí)行完兩個(gè)for循環(huán)時(shí)，相應(yīng)的程序代碼執(zhí)行時(shí)間為444.50（639.00－194.50）μs。

2.3 I/O端口輸入

當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行需要讀取單片機(jī)外部數(shù)據(jù)時(shí)，例如按鍵輸入程序，Keil軟件的調(diào)試工具沒(méi)有與硬件相連，就無(wú)法準(zhǔn)確獲取單片機(jī)I/O端口引腳電平，但可通過(guò)模擬仿真設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。打開(kāi)按鍵輸入P3端口調(diào)試，當(dāng)未設(shè)置相應(yīng)端口引腳電平狀態(tài)時(shí)，程序無(wú)法執(zhí)行有鍵按下的語(yǔ)句，其運(yùn)行界面如圖3（a）所示；當(dāng)設(shè)置了相應(yīng)端口引腳電平為低電平時(shí)，程序即可執(zhí)行有鍵按下的語(yǔ)句，如圖3（b）所示。

圖1 I/O端口輸出模擬仿真效果

圖2 代碼執(zhí)行時(shí)間模擬仿真效果

圖3 I/O端口輸入模擬仿真效果

2.4 中斷響應(yīng)

在keil集成環(huán)境下的中斷請(qǐng)求，在采用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)需求時(shí)，其定時(shí)中斷服務(wù)程序的調(diào)試可通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)或?qū)⒊绦驁?zhí)行到光標(biāo)處來(lái)進(jìn)行調(diào)試，先看能否進(jìn)入其中斷服務(wù)程序，還未執(zhí)行中斷服務(wù)程序如圖4（a）所示；若能進(jìn)入，再查看進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)的時(shí)間，如圖4（b）所示。

圖4 中斷響應(yīng)模擬仿真效果

2.5 串口通信

串口通信程序包括串口發(fā)送程序和串口接收程序。串口發(fā)送程序的模擬仿真可以通過(guò)觀察串行通信調(diào)試窗口，如在執(zhí)行“while（!TI）；”將會(huì)一直等待，直到TI變?yōu)?時(shí)才可繼續(xù)執(zhí)行，在串行窗口中的SBUF中看到發(fā)送的字符為0xAA，其仿真運(yùn)行效果如圖5（a）所示；串口接收程序模擬仿真可在串行窗口中輸入相應(yīng)的字符0X55，該字符可傳遞到中央處理器（Central Processing Unit，CPU）中，但不會(huì)顯示，其仿真運(yùn)行效果如圖5（b）所示。

圖5 串口通信模擬仿真效果

3 結(jié)語(yǔ)

基于keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境模擬仿真單片機(jī)運(yùn)行情況開(kāi)展的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，能幫助學(xué)生更好地理解單片機(jī)程序的運(yùn)行過(guò)程。衡陽(yáng)師范學(xué)院2015—2018級(jí)電子信息工程專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)不僅幫助學(xué)生克服了程序設(shè)計(jì)過(guò)程的畏難情緒，還提高了學(xué)生程序設(shè)計(jì)的查錯(cuò)糾錯(cuò)能力，較好地完成了單片機(jī)相關(guān)課程的教學(xué)目標(biāo)。