單片機虛擬實驗室的建立
摘要:單片機應(yīng)用技術(shù)所涉及到的實驗實踐環(huán)節(jié)比較多,而且硬件投入比較大。在具體的工程實踐中,如果因為方案有誤而進行相應(yīng)的開發(fā)設(shè)計,會浪費較多的時間和經(jīng)費。本文以學(xué)校單片機課程的實驗教學(xué)為背景,較為全面地闡述采用仿真實驗的方法。
關(guān)鍵詞:proteus軟件 單片機 仿真 虛擬實驗室
引 言
單片機課程是機電、自動化等專業(yè)的一門重要課程,可以充分體現(xiàn)學(xué)生利用已學(xué)知識解決實際工程問題的能力。由于該學(xué)科是多基礎(chǔ)、多理論的實踐性學(xué)科,在教學(xué)過程中必須軟件硬件結(jié)合,因此有學(xué)生感到難學(xué),教師感到難教這樣的尷尬。
現(xiàn)代科技的發(fā)展,促進了計算機技術(shù)在軟件和硬件上的飛速發(fā)展,利用計算機軟件的仿真技術(shù),可以充分地仿真諸如電路的工作等實際的工程問題。作者無意中找到一款軟件Proteus,解決了許多的問題,而單片機虛擬實驗室也是以該軟件為核心建立起來的。
1 Proteus介紹
Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是,它不僅能仿真單片機CPU的工作情況,也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時,關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變,而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗,從某種意義上講,是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。
(1)proteus的工作過程
運行proteus的ISIS程序后,進入該仿真軟件的主界面。在工作前,要設(shè)置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令,在pick devices窗口中選擇電路所需的元件,放置元件并調(diào)整其相對位置,元件參數(shù)設(shè)置,元器件間連線,編寫程序;在source菜單的Define code generation tools菜單命令下,選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目;在source菜單的Add/remove source files命令下,加入單片機硬件電路的對應(yīng)程序;通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運行情況。
(2)Proteus軟件所提供的元件資源
Proteus 軟件所提供了30多個元件庫,數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等,具體情況如表1所列。
(3)Proteus軟件所提供的儀表資源
對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇遥瑴y試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量,是衡量實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中,不存在同類儀表使用數(shù)量的問題,其提供的儀表如表2所列。
除了表2所列的測試儀表外,Proteus還提供了一個圖形顯示功能,可以將線路上變化的信號,以圖形的方式實時地顯示出來,其作用與示波器相似但功能更多。圖形顯示功能如表3所列。
(4)Proteus軟件所提供的調(diào)試手段
Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號,如表4所列。
對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試,Proteus 提供了兩種方法:一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果,一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。
對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法,只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行,用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運行;或用debug菜單下的stop animation 菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進行。
對于軟件的分步調(diào)試,應(yīng)先執(zhí)行debug菜單下的start/restart debugging 菜單項命令,此時可以選擇step over 、step into 和 step out命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11),執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging命令后,在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等,可供調(diào)試時分析和查看。
2 實驗的組織
在單片機的理論教學(xué)和實驗中,所涉及到的內(nèi)容包括了四方面,即單片機系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。因此教師在進行教學(xué)時,應(yīng)該充分考慮課程的特點并作合理的模塊劃分,在每次實驗課程前作適當(dāng)?shù)臏蕚涔ぷ?,以使教學(xué)任務(wù)能集中和突出。以下例子中所涉及到的單片機均為51系列。
(1)系統(tǒng)資源的實驗教學(xué)
任何一種單片機均提供了一定的系統(tǒng)資源。對于51系列單片機來講,其所提供的資源是以寄存器和存儲器的方式體現(xiàn)出來的。對于寄存器內(nèi)容的查看,可以采用多種可以模擬仿真51單片機的軟件來實現(xiàn)。對于Proteus 軟件來講,可以執(zhí)行在debug菜單下registers菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。對于系統(tǒng)內(nèi)部存儲器的查看,同樣是執(zhí)行debug 菜單下的 internal memory 菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。
(2)軟件技術(shù)
在軟件技術(shù)的實驗中所涉及到的內(nèi)容主要包括對語言中具體語句的執(zhí)行效果驗證、算法的具體實現(xiàn)、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內(nèi)容。對于純軟件的實驗教學(xué)內(nèi)容,教師在實驗設(shè)置時應(yīng)充分考慮到學(xué)生的能力并作好具體的準備工作,以達到預(yù)期的教學(xué)目的。
例如,對于兩個16位二進制數(shù)的乘法運算R4R5
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