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单片机仿真教学实验平台的设计与实现 绪论 面对庞大的计算机系统浩瀚海洋般的知识理论，以及 庄重中略带严肃的毕业论文面前，在经过我的深思熟虑之 后，我想通过自己对单片机的分析作为我的毕业论文。 纵观这个现代技术的发展，没有哪一个时代能像今天 一样日新月异的变换着，尤其是在单片机问世以来，时代 的发展不仅孕育了单片机的产生，通过单片机的不断改进 个发展也为现今时代带来了巨大无比的力量。从单片机发 展开始到今天，其无不以不断更新的性能以及更加符合时 代要求的规则来前行，单片机以一种在线式实时控制计算 机，所谓在线式通俗一点讲就是现场控制，他必须具备非 常强的抗干扰能力，以及适合大众的较低的制造成本。从 这一方面来说，这也是和离线式计算机的主要区别所在， 现代人类生活中所有的几乎没见电子和机械产品中都会有 单片机的存在，无论是小的手机、电话机、医用设备、工 业控制来说以及汽车各种配件之中，其不仅拥有所有符合 现代生活的技能，数量也是惊人的多，他的数量不仅远远 超过旧式机和其他计算机的总和，甚至于比现有人类的数 量还多。 也就是说在仅仅半个世纪的时间里，单片机却有着飞 速的发展，并且从不同层面里深刻地影响着现代人的生活 甚至是思想。 足见研究单片机的重要性，也可以说是迫切性。 在本篇毕业论文里我将通过，分析单片机的应用现状 和单片机仿真实验教学平台设计及单片机仿真实验教学平 台的实现，从小地方切入整个单片机世界。 目录 绪论. . . 2 1 单片机教学实验设计 1.1 单片机应用现 状.4 1.2 单片机教学实验平台存在的必要 性.6 1.3 实验设计的理论基 础7 1.4 实验设计的总体思 路8 2.单片机仿真和实验教学平台设计. . 9 3.单片机仿真和实验教学平台的实 现.11 4.结论. . . 14 单片机教学实验设计 1.1 单片机应用现状 1.1 单片机应用现状 调查显示单片机在我们平常生活里早已应用的及其广 泛，甚至几乎没有那个领域没有单片机的存在，从相对来 说比较高端的飞机上的仪表控制，再到小型一点的计算机 Intel 通讯与数据传输，包括工业自动化进行过程中的实时 监控和数据处理，再说到比较贴近我们生活的录像机、摄 像机、全制动洗涤剂控制、汽车的安全维护系统、以及程 序控制式的儿童玩具等等，以上提到的这些只是单片机在 我们日常生活中的一小部分，所以说，在中国单片机的开 发、应用以及应用的学习是非常必要的，而且相对于世界 上的单片机技术的发展，我们还需要大量的研究和开发， 也因此单片机在中国的这种广泛应用，再加上单片机起到 的关键作用，在不久的将来必将培养一大批技术人才。 所谓说单片机在我们日常生活中，几乎无处不在，尤 其频繁应用与智能仪器，家用电器，网络和通信，医用设 备领域，汽车电子和工业化控制中，一下简单介绍单片机 所在的在些个领域。 智能仪器 在智能仪器上的应用，更是体现着单片机优点的表现， 智能仪器一般来说都需要体积相对来说较小的，功能钱损 耗低的、扩展性强灵活性大的组件，因而单片机发挥着不 可磨灭的关键性作用，由于被广泛应用与智能仪器之中， 单片机不仅被仪器影响着，而且也不断的在促进着仪器的 发展，因而采用单片机控制的仪器表现出来将是数字化、 智能化和微型化。而且就其功能上来说要远远超过采用电 子或数字电路的仪器。 家用电器 单片机在对家庭使用电器的影响上，除了以上提到的 摄影机等之外，更是有诸如电饭锅、洗衣机、彩色电视机 以及其他的音响和播音器材等等，家庭不断添加采用单片 机的仪器的同时，也在不断的提高和改善着自己的生活， 和单片机的使用性能的发展。 家用电器全方面的采用单片机的控制，更是显得现代 生活质量提高的一个反应。 网络和通信 网络和通信中使用单片机就更加广泛了，单片机的存 在首先使得网络和通信设备变小易于携带，在这个基础上， 单片机为了更加方便地与计算机等进行数据通信，都已经 采用了通信接口技术(例如 USB、耳机插口），这些技术的 使用在我们日常生活中的体验表现在，诸如随处可见的移 动电话、无线电话对讲机等等，网络和通信的发展不能没 有单片机的存在，不仅应用广泛而且具有相当的必要性。 医用设备领域 医用设备一直都是一精密仪器相联系，由于单片机微 型的设计及稳定的性能更是常用于像呼吸机、监护仪以及 病人病床紧急呼叫系统等等，由于像这样的精密紧急仪器 的大量广泛应用，为了更加精确切和摆脱旧式人工操作的 简单内部结构，单片机采用了模块化的管理，因此也就有 了模块系统，然而这些还不足以展示单片机的高级性能， 为了在纯电子芯片中，单片机应用到类似于计算机的原理， 比如，我们日常经常接触到的，音乐信号就以数码的方法 存储于存储器当中音乐的电信号，然而在相对来说大型电 路中，这种模块更是级大地压缩了单片机的体积，使电路 更加清晰，避免了使用中损坏和发生出错误的概率，从而 也变的更加容易更换使用。 汽车电子 汽车上单片机的应用就更显的先进和功能性更加得到 体现，诸如发动机掌控器、GPS 导航等需要体积小，功能性 强的智能电子控制器，同时就像汽车当中的 CD 播放器、收 音机以及倒车系统的后视镜功能。 简单来说，单片机在现今社会的发展应用的现状，可 谓是相当广泛，各个领域之间相互使用也在不断的相互促 进中协调发展，以至于各行各业之间在一定意义上来说缩 短了距离，也更加体现了现代社会技术的飞速发展。 因而，单片机的应用现状是非常乐观，甚至是单片机 的存在拥有很大的必要性和迫切性。 1.2 单片机教学实验平台存在的必要性 全国高等院校电子信息类专业中,很早就普遍开设单 片机和其相关的课程，由于单片机广泛应用于人们平常生 活的各个方面,想对于实践来说，实验教学在单片机及其接 口技术课程教与学的工程中，显得要格外的重要和必要， 然而伴随单片机和其接口技术的飞速前进,现在市场上供应 的实验器材并不能非常圆满满足与教学的需要,更新换代构 建低成本和技术先进以及容易更新的单片机实验教学模拟 系统,对我国单片机课程的教与学和我国单片机方面人才的 塑造具有相当重大的社会意义。 简单来说就是，单片器实验教学结果离不开单片机实 验教学平台，实验教学平台也在一定程度上依赖于单片机 实验教学，两者是相互依存相互影响，相互发展的。 在谈到实验教学，由于旧式的实验教学平台存在着无 法解决的客观问题，不得不提到单片微型计算机实验教学 平台的变革，因此寻找一个适合的开发平台，应用仿真实 验平台-Proteus。在此显得格外的重要，由于实验 室运行成本降低，整个使用过程中损耗非常小，基本上没 有远见的损耗问题，克服了传统实验教学，学生自行实验 时需购置较多外设备的巨大缺点，同时在采用仿真软件后， 也可以先在软件环境中模拟通过，在进行硬件的投入，这 样出来，不仅省时省力，也可以节省因方案部正确所造成 的硬件投入的浪费，支持学生的创新性培养，Proteus 虚拟 实验平台可充分发挥学生的创新性，克服了单片机实验箱 由于是成品，学生很难参与到其中的细节技术中去的巨大 缺点，提供了训练与提高学生动手能力的平台。实验平台 的变革使得，学生们在实验过程中不必担心破坏器件及仪 器仪表设备，并且在提供给学生自主，创新的实验氛围， 不必再使用过多的经费就能达到以往应用完全硬件搭建平 台才能做到的效果。 据我了解，学生在不断的参与进实验的过程中，通过 将课本上平面的知识体系，变成触手可及的三维的立体感 受，使得学生能对单片机有一个更加深刻的理解和体会， 这也就说明，单片机教学平台存在的必要性是单片机课程 教学改革的基础，没有一个良好的实验氛围，课程教学的 改革往往是一句空话。 计算机在中国的发展相对其他世界大国来说，本就稍 显落后，知识体系的构造和技术人才的培养更是显得格外 的欠缺，在加上单片机短暂的发展史及深奥、复杂的理论 知识，以至于在中国大部分高校里，学生甚至是老师都对 这种技术感到难以理解，因此单片机教学实验平台，使得 复杂的知识体系，变的形象化，使得基础学习的人们更加 容易去理解。 1.3 实验设计的理论基础 在此我就 LED 照明灯的应用原理为例，介绍实验设计 的理论基础。 使用寿命高，运用的电压低，微型体积，照明技术好， 对于这样的一种社会需求，应允而生的相比较于旧式照明 灯的就是这种叫做 LED 的照明灯。我们经常说的 LED 其实 就是一种半导体形式并且呈现固态，然后通过对其电能的 转移，来保证其光能的有效使用，保证其照明技术的不断 深入，LED 照明技术的发展，不仅满足了低碳经济发展的需 要，而且这种新型照明技术突破了传统的人照明技术的局 限性，实现了对生态环境的有效保护，它是一种节能环保 的技术。 当然在 LED 发展的进程中，理论知识跟商业知识不断 的碰撞，也因此 LED 灯的性能有了不小的提升，同样也有 了飞速的发展。 首先利用氮掺杂着工艺从而使器材的效率不仅达到了 1 流明/W，而且还能够发出红、橙、黄三色光。然后 LED 又 出现了 Gap 绿色裸片，在这之前 LED 显示屏很少用于钟表 和计算器中。紧接着业界有推出了带有 7 段红色 LED 显示 屏的计算器。在不断的更新换代中，LED 照明技术的理论基 础也在不断的加固和加深。 LED 灯的发光，离不开对其内部半导体晶片的应用， 这就是 LED 灯稳定运行的核心，该晶片分为正负两极，通 过对其环氧树脂的应用，实现其整体晶片的封闭，该晶片 分为两部分分别是 N 型半导体及其 P 型半导体，实现了对 其照明功能的应用，这两种半导体链接在一起时形成了一 个“P-N 结”。光的波长也成为光的颜色，是由 P-N 结 材料所决定的。 1.4 实验设计的总体思路 数码管及按键功能 一：实验目的 实验的目的就是如何能准确无误地执行相关操作，就 需要在这个时候按键功能是否正确地被按下和被按下的次 数的状态。 本实验要实现对按键状态的正确检测并显示出相关内 容。本实验的知识要点： 1.显示、延时的相关程序，在按键程序中延时程序的 使用。 2.理解并且体会到查表、I/O 口状态按键去抖及判断 的解决方法。 二：实验原理 1.单片机输入端口的处理 为了免去能够导致输入失效，或者破坏单片机 I/O 口 结果，在按键所接的 I/O 口工作处于输入状态时，单片机 的 I/O 要作为输入端使用，一定要先把该端口置到“1”。 2.按键区抖动 按键区抖动现象，简单来说就是旧式的机械式按键单 靠机械触点的接触与断开来产生信号，也就是说很有可能 在按一次按键的时候会产生多个脉冲信号，假如不能现在 进行处理，那么按一次键，会误导单片机误认为按了多次 按键，因此导致错误的结果，也就是说按键抖动现象是按 键作为单片机系统作为输入指令的基本元件的一个大隐患。 2查表程序 作为一种数据处理方式来说，查表指令具有其固定的 格式，具体如下： 建立数表 建立数表的数据按特定顺序和特定的格式放在一块， 然后在数表的前面写一个标号。在程序的结尾处一般放置 着数表，如果结尾处不放置数表，那么程序中必须运用跳 转指令跳过数表，在进行。 把数表的首地址赋给数据指针 DPTR。 把需查表的数据赋给累加器 A 执行查表命令的事 MOVCA(指令） ，A+DPTR，查表 结果在累加器 A 中。 另外，还可以用 MOVC A ，A+PC 查表。 三、实验内容 1硬件连接 实验仍然使用按键显示模块，连接方法与平常做的实 验相同。 2程序补充并调试 下面程序是用按键掌控显示的一些步骤和分析，按一 下，显示屏显示的内容就会加 1，从 0 开始加起，然后加到 9 后又会回到 0，依次循环显示。程序不足的地方可以根据 解释文字和程序功能由实验者本人添加即可，然后运行该 程序。 程序具体如下： ORG 0000H SJMP MAIN 程序要从 0030H 单元存放 MAIN：MOV R0,#00H CLR P3.5 LOOP：把数表的首地址赋给 DPTR MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR ；然后查段码表 MOV P0,A TEST；JB P1.1,$；判断按键是否被按下 LCALL DELAY JB P1.1 , TEST R0 的内容加 1 CJNER0#10,NEXT；判断 R0 的内容是否到 10 MOV R0,#00H；R0 清零 NEXT： ；无条件跳转到 LOOP 处 DELAY：MOV R4 , #01H DEL1： MOV R3,#200 DEL2：MOV R2,#123 DEL3：DJNZ R2,DEL3 DJNZ R3,DEL2 DJNZ R4,DEL1 RET TAB：DB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H DB 90H，88H，83H，0C6H，0A1H，86H，8EH END 3修改程序 在调试好这个程序后，再进行修改程序，具体要求也 就是每按下一次按键，显示内容都要加 1，实现显示 0F 的 过程循环。 2.单片机仿真和实验教学平台设计 实验平台的 MCU 选型 在单片机仿真和实验教学平台设计之前，我必须先介 绍一下微处理器 MCU，虽然说目前在不完全统计的情况下， 全世界微处理器的品种和数量已经有 1000 多种有余，仅仅 流行的体系结构就达到 30 多种，其中我简单说一下，就 8051 体系就占一半多，生产 8051 单片机的半导体厂家就达 到 20 多家，所以说一个好的单片机实验教学仿真系统必须 有与子适合的 MCU，也因此我在下文中选用了 SST 公司生产 的单片机 SST89E564RD,来作为这次的研究对象。 . 选项原则 对于 MCU 的选择，主要基于以下几个原则。 (1)应用典型 对于产品概念，首先我觉得需要先对单片机实际使用 方面的一个产品概念进行一个澄清。我们都知道 MCS-51 单片机是 USA Intel 公司于上世纪 90 年代推出的一个产品， 其中比较具有代表性的产品有 8031、8051 还有 8751 等通 用产品，一直用了到现在，MCS-51 内核系列包括的单片机 认识应用的主流产品，而如今 MCS-51 单片机仍然作为 代表与各个高校及专业学校的培训教材进行着理论基础学 习。 兼容性强 上面已经介绍了 8051 是上个世纪 90 年代最典型的代 表作，手 MCS-51 单片机深远的影响，市场上许公司都推 出了兼容系列的单片机，通俗点来说，就是现在仍然在使 用的 MCS-51 其内核实际上早就成为一个拥有 8 为单片机 的标准。其他公司的 51 单片机产品都是和 MCS51NEI 核兼 容的产品而已，同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬 件上运行的结果都是一样的，如 SST 公司的 SST89E564RD.ATMEL 公司的 89S51，89C51，菲利普公司的 P89C51X2 和华邦公司的 789E51B 等，SST89E564RD 具有 ISP 等新功能，更优秀的是由 Flash 擦写次数为 1000000 次以 上）存储器取代了原来的一次性写入 ROM.格式 (3)性价比高 在实际的情况下说任何系统中对微控制器的选择都要 考虑成本的因素，若忽略成本的因素，使产品的价格过高， 在市场上就将没有竞争力，为节省成本，本单片机实验系 统集仿真器、编程器于一体，所以要求 MCU 功能足够强大， 不仅具有 51 系列单片机的基本功能，还应具有在线仿真和 编程的功能，SST 公司生产的 SST89XXX 系列单片机性价比 高，不仅可以满足以上功能，而且价格也不是很高。所以 说性价比相对来说呀高一些。 根据以上原则，我们在比较之后选用了 SST 公司生产 的 SST89 系列单片机 SST89E564RD 其不但具有应用广泛、 兼容性强、功能强大并且价格相对低廉的多。 在线仿真器功能 在线仿真系统能通过附带的 40pin 外接仿真头，对外 部的其他目标板进行仿真使用，也就是说该系统当作一台 51 系列的单片机仿真起来使用，也就是说该系统是直接应 用了 KEILC51 集成开发环境，仿真功能特别好，还能对板 上的资源直接进行仿真实验 仿真器的特点如下： 直接使用 KEILC51 程序软件就可以来仿真 单步执行 跨步执行 全速执行 运行到光标处 支持断点调试 读写 Data 区 读写 Code 区 完全仿真 PO, P1 P2 P3 口 硬件复位 可对系统内的多种硬件资源进行在线仿真 在线仿真系统，不仅仅使学生可以更快地学习单片机， 而且还很有助于教师顺利地进行单片机的实验教学，该系 统不但拥有非常好的硬件资源和接口，而且额还拥有者丰 富的实验案例，丰富的实验提供了汇编语言或者 C51 的远 代码，可以更加方便与教师的教学实验和学生了解单片机 知识的非常好的平台，因而在线仿真系统能够实现以下部 分实验功能： 单片机 I/O 口控制实验 继电器控制实验 按键中断实验 定时器实验 数码管静态显示实验 数码管动态扫描显示实验 电子琴实验 电子密码锁实验 电子钟实验 液晶显示控制实验 串转并的 I/O 口实验 扩展存储器读写实验 直流电机控制实验 步进电机控制实验 微型打印机打印字符实验 ATMEL 的 AVR 系列单片机是一个优秀的 RISC 结构单 片机系列与 MCS51 都具有以下一些典型特点： AVR 的机器周期为 1 个时钟周期，绝大多数指令为单 周期指令，因此每 M 钟有接近 1MIPS 的性能。程序存贮器 与数据存贮器有分开的总线，程序可以高效地执行 8MHZ 频 率作的 AVR 相当于 224MHZ 频率下工作的 MCS51，内置可重 复编程的 FLASH 程序存贮器和 EEPROM 数据存贮器 支持对 单片机的在系统编程 ISP 在生产中可以先装配后编程从而 缩短工艺流程和节买万用编程器的费用，并且可以方便地 升级或修改程序 内置上电复位电路和看门狗定时器，电路在提高产品 可靠性 时降低了电路的成本 部分 AVR 单片机与 MCS51 系列单片机管脚兼容，例如 AT90S1200/2313 对 89C1051/2051 AT90S4414/8515 对应 AT89C51/52，因 此可以做到一套 PCB 板 两套电路从而增加了用户备货的可选择性和灵活性 定时/计数器的功能大大增强，串口通信时波特率发生 不占用定时器。 3.单片机虚拟实验仿真平台的实现 系统设计思想及总体设计 通过，“单片机虚拟实验平台”将“硬件实验台”和 “软件调试环境”统一进行虚拟化设计处理，也就是说不 仅要将“硬件实验台”设计为软件形式，原来的汇编程序 等虚拟实验工具也要一样专门进行设计，那么之前 MASM 等 的工具就不能在使用了，并且因为采用了不公开式的设计 思路，对环境的适应性、可靠性和可靠性相对较强，那么 也就是说，这种虚拟平台下的实验结果与硬件环境下的结 果将更为类似： 图 1 传统单片机实验系统组成结构 仿真平台编译原理 仿真平台编译原理，首先对于汇编语言的编译模拟了 跟真实的系统一样的 CPU，众所周知，真实的 CPU 在运行的 过程当中一定要运用寄存器来帮助，所以在仿真的 CPU 的 环境下，我们虚拟了一些寄存器，然后确定了一些需要的 特定函数和运行规则的相对步骤，肯定的是，这些运行步 骤是相对于汇编指令制定的，虚拟的编译过程需要与运行 步骤进行一对一的比较，继而检查语法错误，紧接着也就 生成了数据库存储所需的数据;运用另外一种更加可以具体 表述虚拟编译系统的工作过程：CPU 执行汇编程序也就是在 运行执行函数，先开始一个全新的方案，然后把原程序拿 出来一对一地进行执行，这些都是又函数执行的，从原程 序的第一行程序开始执行行动，函数就把拿到的这一行数 据先进行预处理，拿掉注释，还有标号，接着在根据汇编 语言的固定格式取得指令名称和操作的数据，每一个指令 名称和执行函数都是一对一的，这些带有名称的函数负责 完成相对应指令的功能，比如：MOV 函数和 MOV 指令时相对 应的，这个函数负责把下一行参数的值放到上一行的参数 里面，程序其实就是这样一行一行的执行。 指针的实现和中断的事先问题，特别值得我们注意。 在虚拟的编译系统中，指针和真实的指针相对来说不同。 我们用行号代替了内存的地址。一般情况，程序没执行一 行，指针就会加 1，转到下一行接着执行，但若遇到跳转指 令或类跳转指令的时候就不一样了。要想获得行号赋值给 指针 IP，那么首先要根据跳转的目标好在编译阶段监理的 数据库中查找相对的行号，其次程序跳到相应的行继续执 行，借助虚拟的 8259A，我们可以对中断进行有效的处理。 断点可以在主程序中，也可以在某个中断程序中进行 时的前提是，中断程序结束后能够顺利回到断点处继续执 行。 存储器 真实的存储器都是被用来存储数据以及程序代码的， 在这里创建的仿真平台一样也是要存储器来存储相关的数 据和代码，具体的实现步骤是应用同样的一个维数组，仿 真虚拟内存，数据的下行则代表这个内存的一个地址，照 这么说，下标和地址是相互对应的，在这里还设计了一个 小窗口来专门显示及修改内存的，例如：这个窗口就是在 运行程序的时候应该根据需要通过其将数据首先输入里面， 也可以运行程序的时候将结论存入某个内存里边，同样程 序运行结束后能够在这个窗口查看结果。 示波器 示波器跟存储器正好相反，是一种外部设备，必须模 拟一个量，才能将数据输入示波器之内，也就是必须要符 合的一个前提，为了方便，因为在单片机实验中我们处理 的数据对象都是数字量，所以这样在将数据进行 D/A 转换 就方便多了，继而就产生了仿真系统 0832，实践的实验实 现过程中，示波器就需要建立一个线程，不这样不行，在 执行函数启动线程前，先要处理 D/A 转换器中的数据，这 样方便汇编程序完后，存入相对应的寄存器里，首先完成 D/A 转换器数据才嫩将程序写入，也就是说各个存储器中数 据的调用和相