單片機(jī)原理與微機(jī)原理綜合仿真系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

高 林

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

微機(jī)原理課程和單片機(jī)原理課程在電子、電氣和自動化等專業(yè)中廣泛的開設(shè)。微機(jī)原理課程偏向于原理性的介紹，涉及的實(shí)驗(yàn)比較簡單；而單片機(jī)原理課程則偏向于應(yīng)用性，涉及的實(shí)驗(yàn)較多。這兩門課程的實(shí)驗(yàn)過程、使用的芯片及編程的方式非常類似[1]。正是由于這種相似性，國內(nèi)有學(xué)者便主張將這兩門課合并[2]。但這兩門課程不管是合并處理還是單獨(dú)開設(shè)，傳統(tǒng)的教學(xué)都是通過一定的理論教學(xué)課加上有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課進(jìn)行的[3]。實(shí)驗(yàn)課上所使用的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備存在硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定等方面的局限性。

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，有必要采用先進(jìn)的教學(xué)手段和教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量[4]。Proteus是一款已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)[5]的軟件，并且已經(jīng)開發(fā)出基于Proteus的單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[6]。自從Proteus 7.5 SP3軟件支持8086微處理器與8255、8253、8259、8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真后[7]，它在微機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用也逐漸增多，但是Proteus在多門課程中的綜合應(yīng)用卻鮮有報道。因此，需要設(shè)計出一個基于Proteus的單片機(jī)與微機(jī)原理綜合仿真系統(tǒng)，以同時提升這兩門課程的教學(xué)效果。

1 綜合仿真系統(tǒng)的設(shè)計

本文以Proteus 7.5 SP3以上版本軟件為平臺，結(jié)合微機(jī)原理和單片機(jī)原理兩門課程所涉及的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一個綜合仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

整個系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機(jī)和8086最小模式系統(tǒng)。如果外圍電路較少，單片機(jī)引腳夠用，則P0—P3口工作在通用I/O口方式，否則，P0—P3口工作在三總線(即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線)方式[8]。8086微處理器則工作在最小模式，還包括3片74LS373作為地址鎖存器[9]。

在外圍配有其他主要電路模塊。

(1) 人機(jī)交互界面。以16×16點(diǎn)陣、發(fā)光二極管、數(shù)碼管顯示和液晶顯示器為輸出設(shè)備，其中前三者需要通過I/O接口與系統(tǒng)核心相連，I/O接口既可以是基本I/O并口芯片(如8位鎖存器等)，也可以是可編程并口芯片(如8255等)。另外，系統(tǒng)以獨(dú)立式鍵盤和4×4矩陣式鍵盤為輸入設(shè)備。

(2) 常用接口電路。包括串口擴(kuò)展芯片8251、并口擴(kuò)展芯片8255、基本I/O并口擴(kuò)展芯片、定時/計數(shù)器8253、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808、8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832等。由于Proteus的局限性，微機(jī)原理課程中常見的DMA控制器8237等不能仿真[10]。

(3) 通信電路模塊。主要是RS-232串行總線、I2C總線等，用于模擬與PC機(jī)、其他單片機(jī)或串行設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。8086必須經(jīng)過串口擴(kuò)展芯片8251才能與外設(shè)進(jìn)行串行通信，而AT89C51則自帶串口。

2 綜合仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計出來以后，直接引入到微機(jī)原理課程和單片機(jī)原理課程的實(shí)際教學(xué)中。不但能使學(xué)生很好地掌握流行的編譯器和仿真平臺，還能有效地訓(xùn)練學(xué)生繪制電路原理圖、PCB圖及電路仿真的能力[11]。由于Proteus本身未提供8086編譯器，微機(jī)原理課程采用EMU8086軟件進(jìn)行匯編語言源程序的編寫和編譯[12]。而單片機(jī)程序編制則采用Keil C軟件和C51語言[13]。本文以“8086與AT89C51串行通信實(shí)驗(yàn)”為例說明該系統(tǒng)的應(yīng)用方法和仿真過程。

2.1 實(shí)驗(yàn)要求

AT89C51單片機(jī)以1602液晶顯示器為輸出設(shè)備，以4×4矩陣式鍵盤為輸入設(shè)備。8086最小模式系統(tǒng)用8251擴(kuò)展串口，以8255擴(kuò)展出的并口作為段碼鎖存器和位碼鎖存器，使6個數(shù)碼管構(gòu)成顯示器。AT89C51單片機(jī)通過自身串口，經(jīng)由8251再與8086微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理框圖

實(shí)驗(yàn)要求每按下一個鍵，將鍵值(以0—F的ASCII碼形式表示)通過單片機(jī)串口輸出，經(jīng)過8251送入8086中，然后將其顯示在數(shù)碼顯示器上(顯示格式“X-YYH”,X為字符，YY為ASCII碼值的十六進(jìn)制表示)，并且將接收的字符又回送給單片機(jī)，最后單片機(jī)將其顯示在1602液晶顯示器上。

2.2 電路結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)電路從綜合仿真系統(tǒng)中選擇7個電路模塊組成，每個模塊功能如下：

(1) AT89C51單片機(jī)：單片機(jī)晶振頻率為11.059 2 MHz。由于外圍電路不多，工作在通用I/O口方式，P0口接1602液晶顯示器D0—D7，P2口連接鍵盤，串口及液晶控制線位于P3口；

(2) 1602液晶顯示：將單片機(jī)接收的字符以2行16列、從左向右的方式顯示出來；

(3) 4×4矩陣式鍵盤：4根行線接P2口低四位，4根列線接P2口高四位，單片機(jī)采用行掃描法讀取鍵值；

(4) 8086最小模式系統(tǒng)：通過地址鎖存器及74LS138譯碼器產(chǎn)生地址信號選址8255和8251芯片，通過數(shù)據(jù)總線與外界交換數(shù)據(jù)，控制信號主要是ALE和讀/寫信號輸出；

(5) 串口擴(kuò)展芯片8251：擴(kuò)展8086的串口功能，其串行輸出TXD和串行輸入RXD與單片機(jī)串口交叉互連，而且串口接收和發(fā)生時鐘RXC/TXC接153.6 kHz的時鐘信號，保證串行波特率與單片機(jī)一致；

(6) 并口擴(kuò)展芯片8255：PA口作為數(shù)碼顯示的段碼鎖存，PB口控制位碼鎖存，外接74LS244的目的是提高驅(qū)動能力，保證數(shù)碼顯示足夠的亮度；

(7) 數(shù)碼管顯示：6個共陽極數(shù)碼管并排放置，8根段選線共用，位選線為6根。

2.3 程序流程

AT89C51單片機(jī)和8086微處理器的主程序流程如圖3所示。其中單片機(jī)串口設(shè)置為方式1，定時器T1作為波特率發(fā)生器，波特率為9 600。串行數(shù)據(jù)發(fā)送采用的是查詢方式(查詢發(fā)送中斷標(biāo)志TI),串行接收采用中斷方式。8086微處理器將8255設(shè)為方式0輸出，8251設(shè)為8位異步串行通信，波特率因子為16，波特率為9 600，進(jìn)行查詢式輸入(查詢接收準(zhǔn)備好標(biāo)志RXRDY)和無條件輸出。

2.4 仿真結(jié)果

首先在Proteus中完成電路原理圖設(shè)計，然后在Keil C軟件中完成單片機(jī)的編程，將生成的HEX文件裝載到AT89C51中作為程序文件(Program File)。接著在EMU8086軟件中進(jìn)行8086匯編語言程序的編寫和編譯，生成的EXE文件作為8086的程序文件。最后點(diǎn)擊Proteus 軟件的運(yùn)行按鈕，就會按照加載進(jìn)去的程序進(jìn)行仿真[14]。其仿真結(jié)果如圖4所示，圖中數(shù)碼管上顯示的是最后一個接收到的字符及其ASCII碼值，1602液晶顯示器上顯示的是8086回送給單片機(jī)的字符，此刻鍵盤所按下的鍵正好是“E”。

圖3 主程序流程圖

圖4 仿真結(jié)果圖

3 結(jié)束語

上述應(yīng)用實(shí)例表明，不管微機(jī)原理和單片機(jī)原理課程是合并還是分開設(shè)置，該綜合仿真系統(tǒng)都能夠幫助教師更好地完成教學(xué)，并且培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。該系統(tǒng)應(yīng)用于理論教學(xué)可提高課堂的互動性，有利于學(xué)生理解相關(guān)基礎(chǔ)知識；應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生理解相關(guān)電路和編寫程序；應(yīng)用于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計，則可以加強(qiáng)學(xué)生的工程項目設(shè)計能力，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率。

[1] 趙晚昭,周柳娜,趙晚春,等.微機(jī)原理及單片機(jī)課程改革淺談[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012(7):74-76.

[2] 蔡述庭,劉銀萍,謝云,等.微機(jī)原理及單片機(jī)技術(shù)課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(5):70-72.

[3] 李現(xiàn)國,張艷.Proteus仿真在微機(jī)原理及接口技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(12):125-127.

[4] 謝國強(qiáng).基于Proteus的《單片機(jī)接口技術(shù)》仿真教學(xué)應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊,2013,12(5):105-106.

[5] 吉向東,李新鄂.基于Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)仿真[J].信息技術(shù),2010(2):36-39,44.

[6] 吳政南,程遠(yuǎn)勝.基于Proteus的單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機(jī)與數(shù)字工程,2011,39(11):175-177,192.

[7] 陳越,顧暉,梁惺彥.Proteus虛擬仿真在微機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(1):106-108.

[8] 丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[9] 周荷琴,吳秀清.微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008.

[10] 田社平,俞水鋒,方向忠,等.Proteus在微機(jī)原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2011,33(5):70-72.

[11] 曲貴波,喬爽,吳東艷,等.Proteus仿真軟件在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].林區(qū)教學(xué),2013(2):73-74.

[12] 楊杜,趙文進(jìn).基于Proteus仿真軟件的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].電腦知識與技術(shù),2012,8(36):8730-8732.

[13] 趙月靜,陳繼榮,張永弟.單片機(jī)原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(1):176-179.

[14] 陳令榮.仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2013(3):247-248.