虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

劉玉玲

摘要：單片機(jī)課程在理工科專業(yè)中地位重要，也是后續(xù)開展相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)的必備工具。針對(duì)該課程的實(shí)踐用性，教學(xué)中較易出現(xiàn)側(cè)重理論、內(nèi)容抽象、實(shí)驗(yàn)箱由于集成度過高達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡瓤陀^弊端，提出一系列仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，如Keil C（單片機(jī)編程軟件）、Proteus（EDA工具軟件）、VSPD（虛擬串口軟件）和串口調(diào)試助手等軟件，并對(duì)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊、串口模塊等幾個(gè)重要的片內(nèi)資源給出了具體的實(shí)操步驟。該教學(xué)方法靈活、成本低、簡單直觀，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從實(shí)際教學(xué)看的確取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);單片機(jī)教學(xué);實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）28-0228-03

Abstract：The course of principle and application of single-chip microcomputer occupies an important position in science and engineering majors， and it is also an essential tool for students to carry out subsequent practical activities. Because of the practical application， it is easy to have some objective disadvantages in teaching， such as focusing on theory， abstract content， too high integration of experiment box to achieve the purpose of the experiment， etc. on this basis， a series of simulation technologies are put forward， such as Keil C （SCM programming software）， Proteus （EDA tool software）， VSPD （virtual serial port software） and serial debugging assistant. The practical operation steps are given for memory， timer/counter module， serial port module， and other important on-chip resources. This teaching method is flexible， low-cost， simple， and intuitive， greatly enhance students' interest in learning， and indeed achieve good teaching results from the actual teaching.

Key words：Virtual simulation technology; SCM teaching;Practice Teaching

1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電子、電氣、通信、機(jī)械制造等相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，它是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，并強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力的課程，課程相對(duì)概念抽象，學(xué)生普遍反映不好學(xué)，難以理解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)多以課堂講解為主，少與硬件結(jié)合，僅依賴于有限的實(shí)驗(yàn)箱根本不能真正參與其中，學(xué)生無法得知單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部具體的工作情況，課堂效率較低[2]。

2 基于虛擬仿真的教學(xué)改革

虛擬仿真教學(xué)是利用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究[3]。該教學(xué)則以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有限和安全等優(yōu)勢得到越來越多的推廣，因此在單片機(jī)這一課程教學(xué)中具有重要的意義[4][5]。

虛擬仿真技術(shù)提供了一個(gè)較為理想的教學(xué)手段，近年國內(nèi)外也有不少學(xué)者針對(duì)虛擬仿真技術(shù)對(duì)單片機(jī)課程提出相關(guān)改革方案，比如將Proteus和Keil C軟件結(jié)合在一起，但鮮有人對(duì)這種結(jié)合的具體操作給出相應(yīng)的方案，本次單片機(jī)教學(xué)改革就針對(duì)幾個(gè)重要的部分給出具體的虛擬軟件仿真的操作，讓學(xué)生真正可以在課堂和實(shí)驗(yàn)室就深入了解單片機(jī)，知道它系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀況，具體調(diào)試該如何進(jìn)行等相關(guān)實(shí)操[6]。

2.1存儲(chǔ)器（Keil）

51單片機(jī)有4K的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，可以外擴(kuò)至64K，128B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（52系列有256B），64K片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[7]。這些存儲(chǔ)器在學(xué)生初次接觸單片機(jī)時(shí)，完全沒有概念，也不清楚這與實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系。以下幾種方式，讓學(xué)生懂得如何虛擬地查看存儲(chǔ)器。

（1）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的查看

圖1是將0x00-0x07的8個(gè)數(shù)據(jù)傳送至40H開始的8個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，想要查看數(shù)據(jù)是否正確傳送，只需在Keil的Debug模式下打開memory1對(duì)話框，在地址欄輸入D：0x40，D表示訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則memory1的下方顯示40H開始的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序運(yùn)行完畢，8個(gè)數(shù)據(jù)正確傳送至地址為40H-47H的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，如圖1所示。若是匯編語言書寫，此時(shí)的傳送為MOV指令。

（2）程序存儲(chǔ)器的查看

圖2是以0x2000開始的8個(gè)程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送至0x40開始的8個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在Keil的Debug模式下打開memory1和memory2對(duì)話框，分別輸入C：0x2000和D：0x40，其中C表示訪問程序存儲(chǔ)器，則memory1和memory2的下方對(duì)應(yīng)顯示2000H和40H開始的一系列程序存儲(chǔ)器和片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序運(yùn)行完畢，以0x2000開始的8個(gè)數(shù)據(jù)，拷貝至0x40開始的8個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，如圖2所示。若是匯編語言書寫，此時(shí)的傳送為MOVC指令。

（3）片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的查看

圖3是以0x2000開始的8個(gè)片外存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳送至0x40開始的8個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在Keil的Debug模式下打開memory1和memory2對(duì)話框，分別輸入X：0x2000和D：0x40，其中X表示訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則memory1和memory2的下方對(duì)應(yīng)顯示2000H和40H開始的一系列片外和片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序運(yùn)行完畢，以0x2000開始的8個(gè)數(shù)據(jù)，拷貝至0x40開始的8個(gè)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，如圖3所示。若是匯編語言書寫，此時(shí)的傳送為MOVX指令。

2.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊（Protues+Keil）

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊是單片機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)很重要的內(nèi)部資源，在大部分控制場合都會(huì)用到。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間可以通過公式計(jì)算得出，但并不直觀，或者計(jì)算錯(cuò)誤而無從發(fā)覺。通過Protues和Keil的結(jié)合，可以虛擬地仿真出定時(shí)時(shí)間。具體步驟如下：

（1）Keil編好程序，定時(shí)時(shí)間（比如1ms）到IO電平翻轉(zhuǎn)一次。

（2）設(shè)置晶振為12Mhz。KeilàProjectàOptions for Targettarget 1àTargetàXtal（Mhz）設(shè)為12.0。

（3）生成HEX文件。KeilàProjectàOptions for Targettarget 1àOutputàCreate HEX File前勾選。

（4）打開Proteus，畫單片機(jī)最小系統(tǒng)圖，IO口接虛擬示波器。雙擊單片機(jī)器件，載入Keil生成的HEX文件，并設(shè)置晶振頻率為12Mhz。點(diǎn)擊Proteus的仿真鍵，波形圖顯示如圖4所示，圖上可看出方波0.5m一格，高低電平各兩格，即1ms信號(hào)翻轉(zhuǎn)一次，與原設(shè)計(jì)吻合。

除定時(shí)器模塊外，單片機(jī)的內(nèi)部資源和大部分外設(shè)（篇幅有限，其他資源不一一贅述，步驟和方法同定時(shí)器模塊）都可以通過Keil連接Protues進(jìn)行虛擬仿真[8-10]，在軟件平臺(tái)完成硬件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，既可以提高學(xué)生的直觀認(rèn)知，又可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

2.3串口模塊（Keil+VSPD+串口調(diào)試助手）

眾所周知，串口通信通常存在于兩臺(tái)PC機(jī)、兩個(gè)單片機(jī)或者一個(gè)單片機(jī)和一臺(tái)PC機(jī)之間，但如果當(dāng)前只有PC1，且PC1沒有物理串口（如大多數(shù)筆記本電腦），此時(shí)就需要安裝VSPD（virtual serial ports driver 虛擬串口軟件）[11][12]，并建立虛擬串口之間的連接。之后，Keil就可以在虛擬環(huán)境下與串口調(diào)試助手進(jìn)行通信[13][14]。具體步驟如下：

（1） Keil中編好程序

（2）打開VSPD進(jìn)行串口設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊右側(cè)Add pair添加串口對(duì)，如圖5所示COM1和COM2已經(jīng)虛擬互聯(lián)。

（3）Keil與虛擬出的串口進(jìn)行綁定。Keil進(jìn)入Debug模式，在下方的command窗口輸入MODE COM19600，0，8，1（參數(shù)分別為設(shè)置串口1的波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位），ASSIGN COM1 SOUT。本校單片機(jī)教學(xué)采用的是STC89C51，只有一個(gè)串口，所以用SIN，SOUT，如果單片機(jī)有多個(gè)串口，可以選擇SnIN，SnOUT（n為單片機(jī)串口號(hào)）。

（4）打開串口調(diào)試助手，設(shè)置串口為COM2，設(shè)置與Keil相同的波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。之后通過Keil發(fā)送數(shù)據(jù)，在串口調(diào)試助手中顯示出來。也可以通過串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)，在Keil中接收。圖6是Keil中連續(xù)發(fā)送0x10-01f的16個(gè)數(shù)據(jù)，串口調(diào)試助手可正確地接收到。

3總結(jié)

單片機(jī)課程的實(shí)踐應(yīng)用性較強(qiáng)，學(xué)生如果不是切身體會(huì)，很難了解真諦，以上利用各種虛擬仿真工具，把抽象的事物具體化，讓學(xué)生更加透徹地認(rèn)知單片機(jī)。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于弱化了系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，不再受限于實(shí)驗(yàn)條件，而是隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)踐。學(xué)生可進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單片機(jī)實(shí)際的硬件系統(tǒng)搭建，由于前期的軟件仿真，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間縮短，成功率提高，從而使得單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量得到有效的改善[15]。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】