基于Proteus串行通信系統(tǒng)的教學研究與設計

王冬星，王　健，馬英瑞，李　梓，李　娟

(大慶師范大學 計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163712)

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基于Proteus串行通信系統(tǒng)的教學研究與設計

王冬星，王健，馬英瑞，李梓，李娟

(大慶師范大學 計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：單片機原理中串行通信理論知識的講解相對較難，為將其理論知識融于“做中學”，讓學生在學習過程中有直觀認識，研究與設計了一個基于Proteus的串行通信教學系統(tǒng)，使學生在制作串行通信系統(tǒng)實物之前通過對仿真系統(tǒng)的調試，加深對單片機系統(tǒng)設計的理解，減少實驗器材的消耗并避免一些危險的產生?；诜抡姝h(huán)境教授單片機串行通信知識，使學生能達到所見即所學，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了教學效果，為相關教學提供了借鑒。

關鍵詞：Proteus；串行通信；單片機

0引言

2016年，物聯網將攻克一批關鍵核心技術，被進一步擴大應用，在未來十年內會迎來其發(fā)展的高峰期，物聯網技術人才也會炙手可熱[1]。而眾多高校的物聯網專業(yè)均會開設《單片機原理與應用》之類的嵌入式課程，在此課程中對學生的電路設計、程序設計、系統(tǒng)綜合設計與調試等能力進行訓練，使其能對理論與實踐進行良好融合，快速地適應企業(yè)崗位并對嵌入式系統(tǒng)設計有深刻認識。

傳統(tǒng)的單片機教學是理論與實驗相分離，實驗時學生按照實驗說明書在實驗箱上連接固定電路，下載相關程序、調試、運行、觀看實驗現象，由于已知元器件固定，學生對電路設計較少、自行創(chuàng)新設計內容也較少，很難提高學生的自主學習能力[2]；同時，學生在枯燥情況下會由于好奇心對實驗箱進行破壞性操作，造成實驗耗材的不必要損失，這種現象在講授單片機串行通信知識時會更加明顯一些。

Proteus由英國Labcenter electronic公司生產的一款電路分析與實物仿真軟件，是目前最好的模擬單片機等元器件運行的仿真工具之一，對常見元器件，在硬件設計完成前通過Proteus進行硬件仿真，可以大量節(jié)約開發(fā)周期[3]。Keil是編寫單片機程序的軟件開發(fā)環(huán)境，Proteus與Keil聯合使用，可以對單片機系統(tǒng)的設計進行軟硬件聯合調試，既方便設計開發(fā)過程，又節(jié)省了時間和費用；同時，基于Proteus仿真系統(tǒng)制作過程的教學演示，又引領學生進行了一步步深入的學習和思考，并讓學生自主設計完善系統(tǒng)，達到了良好的教學效果[4]。因此，本文以Proteus為硬件仿真工具、Keil為軟件開發(fā)環(huán)境，設計了一個基于Proteus的串行通信系統(tǒng)，為著重講解單片機的通信理論、在仿真教學系統(tǒng)中忽略某些擴展電子元器件的使用，以達到更好的教學效果。

1系統(tǒng)設計

1.1通信系統(tǒng)總體設計

文章設計的通信教學演示系統(tǒng)的總體思想為：突出串行通信的使用，使上位機對信息進行控制和處理，然后將處理結果通過串行通信發(fā)送給下位機，其設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)中，上位機通過矩陣鍵盤獲得鍵值，將鍵值進行輸出，當按下“串行通信開關后”，上位機將矩陣鍵盤獲得的鍵值傳送到下位機上，并在下位機上輸出顯示；按下“下位機顯示關閉”鍵，下位機輸出模塊不再顯示數值。

圖1　系統(tǒng)結構圖

串行通信是上位機與下位機聯系的通道，上位機通過此通道將數據發(fā)送給下位機。每個單片機都有輸出模塊，為突出通信功能并簡化輸出模塊，輸出模塊在此系統(tǒng)中用LED數碼管顯示，主要用于顯示收到的數據和發(fā)送的數據。

1.2Proteus仿真系統(tǒng)設計

為方便講解單片機通信原理，用Proteus的ISIS環(huán)境繪制單片機串行通信原理圖，并加載程序調試運行，給學生以直觀認識，易于梳理學生的學習難點，經實踐證明教學效果良好，其教學流程如圖2所示。

圖2　基于Proteus的教學流程圖

本系統(tǒng)的主要目的是讓學生掌握單片機通信原理與控制流程，因此在仿真系統(tǒng)初始設計時，為減少外圍電子器件對主要理論學習的影響而將外圍電子器件省略，在后期學習時再逐漸被講解和使用。根據2.1節(jié)介紹的系統(tǒng)結構，在Proteus的ISIS環(huán)境中繪制的仿真原理圖，如圖3所示，系統(tǒng)明顯地具有輸入、輸出、串行通信和按鍵控制4個功能模塊。

圖3　仿真效果圖

其中，上位機具有以下4個功能：

1.接收矩陣鍵盤的輸入，對其輸入的鍵值進行辨別。

2.將矩陣鍵盤輸入的鍵值進行輸出，在數碼管上顯示。

3.按鍵“串行通信開關”被按下，通過串行通信，將數碼管上顯示的數據傳送給下位機。

4.按鍵“下位機顯示關閉”被按下，通過串行通信控制，控制關閉下位機數碼管、不顯示數據。

下位機具有以下2個功能：

1.通過串行通信，接收上位機發(fā)送到數據。

2.將串行通信接收的數據輸出，在數碼管上顯示；如果是按鍵“下位機顯示關閉”被按下，關閉其輸出模塊，即控制其數碼管不顯示數據。

1.3程序設計

在程序講解中重點要講解單片機串行通信的結構、寄存器SCON的設置和單片機串行中斷的使用方式。這3個部分也是單片機串行通信的理論講解重點，在學生學習過程中也屬于偏難的知識點，因此先通過演示系統(tǒng)例程，讓學生有直觀認識、然后讓學生自行設計或更改例程來創(chuàng)作更好的系統(tǒng)。程序流程圖如圖4，注意上位機和下位機分別使用不同的程序，將程序生成的HEX文件分別下載到相應的單片機中進行運行。

圖4　程序設計流程圖

上位機發(fā)送數據的關鍵代碼

void Send(unsigned char data_send) {

SBUF=data_send;//發(fā)送緩沖區(qū)接收發(fā)送字符

while(TI==0) ; //緩沖區(qū)沒發(fā)完就等待

TI=0; //為了接收下一幀數據，需將TI清0

}

下位機接收數據的關鍵代碼

unsigned char Receive(void){

unsigned char data_rev;

while(RI==0) ;//只要接收中斷標志位RI沒有被置"1"

//等待，直至接收完畢(RI=1)

RI=0; //為了接收下一幀數據，需將RI清0

data_rev=SBUF;//將接收緩沖器中的數據存于data_rev

return data_rev;

}

1.4擴展設計

學生在掌握通信系統(tǒng)原理與編寫程序技巧后，應能對上述通信系統(tǒng)進行擴展設計，例如：

1.將上述系統(tǒng)改成雙機串行通信，2個單片機都能接收和發(fā)送。

2.修改輸出模塊和輸入模塊，形成更豐富串行通信演示系統(tǒng)。

3.自學外圍電子元器件，制作實物串行通信系統(tǒng)。

基于原有系統(tǒng)的擴展訓練，提高了學生的動手能力，無疑是對他們創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個很好訓練。

2結語

基于Proteus串行通信系統(tǒng)的教學演示和設計，縮短了平時通信原理知識的授課學時，通過所見即所得的仿真效果，加深了學生學習的印象，提高了教學效率。利用仿真環(huán)境進行教學，省去了實驗器材的消耗，避免了一些危險情況的產生，值得相關教學借鑒。

[參考文獻]

[1] 王乃國，朱香衛(wèi)．物聯網應用技術專業(yè)人才需求及高職生的崗位分析[J]．中國職業(yè)技術教育，2014(31):76-79.

[2] 高慶華，王潔．基于Proteus的單片機綜合設計實驗教學[J]．實驗室科學，2015，18(5):119-121.

[3] 王冬星 許有軍．單片機技術及C51仿真與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2015.

[4] 吳小紅．基于Proteus軟件的單片機實驗室構建的研究[J]．通訊世界，2016(1)：262-263.

作者簡介：王冬星(1977-)，女，黑龍江大慶人，副教授，從事計算機應用和軟硬件協(xié)調設計研究。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“地方本科院校轉型過程中計算機應用技術型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”;大慶師范學院教育教學改革項目(JY1521)。

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2016)03-0033-03

收稿日期：2016-02-05

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.009