（计算机应用技术专业论文）在线实时互动式实验系统的开发研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 从面向2 1 世纪培养高素质人才的角度出发，开设适合新条件下的单片机实验教 学是形势发展的需要。如何提高学生的实验水平和实践能力是单片机实验教学中十分 重要的任务。因此，开发实验指导教师和学生能够在线实时互动的实验设备和装置成 为很多实验室建设的重点。本课题综合利用单片机技术及数据采集技术，实现埘实验 过程的实时监控：并通过局域网条件下的网络编程技术，实现实验指导教师和学生在 实验过程中的互动，适应了当前条件下单片机实验发展的要求。 本文的目的是设计在线实时互动式单片机实验系统的软硬件系统，这对于高校当 前单片机互动式实验的改进有着十分重要的理论和实践意义。课题以5 l 单片机实验 系统为核心，以c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机为监控芯片，完成单片机实验板的监控，并通过 v c + + 平台下的网络编程，实现互动式软件设计。 本课题的主要完成工作如下： l 、论述了高校单片机实验室发展的过程和热点。从理论和实践上分析了目前实验室 建设存在的一些问题，提出了在线实时互动式实验系统的软硬件系统设计方法。 2 、在硬件方面，设计完成了可在线编程的单片机实验系统和单片机实验实时监控测 试系统。 3 、在软件方面，设计完成了基于客户机服务器( c s ) 结构的上位机互动式软件，以及 单片机实验结果测控软件。 总之，本文完成了在线实时互动式实验系统的软硬件开发，从理论和实践上对实 时互动式实验系统进行了开发研究，对今后的高校单片机互动式实验教学有着十分重 要的探索意义。 关键词：实时互动式实验系统c 8 0 5 1 f 单片机客户机服务器在线可编程 山东理工大学硕上学位论文absll认ct a b s t r a c t f a c i n g l c2 1 s tc e n n l f o rt h ep u r p o s eo fc u l t i v 砒i n gl l i g l l l y q u a l i f i e de l i t e s ，i ti s h i g m yn e e d e dt oo 矗e rt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n go fm i c r o c o i l 由r o l l e rs u i t a b l eu i l d c rn e w c o i l d i t i o n si no r d e rt om e e tt 1 1 ed i ：m a n d so ft i m e s i ti sa 1 1i m d o r t a n tt a s ki n 山e e x p 商m e n t a lt e a c h i n go fm i c f o c o n t r o l l e rt of i n do u tt h ew a y so fr a i s i n gs t u d e n t s l e v e lo f p e r f o m l i n ge x p e r i m e n t s 觚di m p r o v i n gt h e i ra b i l i t yo fp u t t i n gi d e a si n t op r a c t i c e t h u s ，m e e x p e r i m e m a le q u i p m e n ta n da l l i a l l c e st h a tc a ne n a b l et h et e a c h e r sa n ds t u d e n t si n v o l v e d 访 c e n a i ne x p 鲥m e n t st oc o n d u c to n l i n e ，f e a l d m ej n t e r a c t i o n w i t l lt h ec o m p r e h e n s i v eu s eo f m em i c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g ya i l dd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ，t 1 1 i sp r o j e c tr e a l i z e st h e r e a l t i m e m o n i t o r i n go fe x p e r i m e n t a lp r o c e s s e s a l s o 谢t ht h en e 帆o r kp r o 孕猢i n g t e c h n o l o g yu n d e rt l l ec o n d i t i o no fl a n ( 1 0 c a la r e an e t w o r k ) ，i th a sb e e na b l et or e a l i z et h e i n t e r a c t i o nb c t w e e nt h et e a c h e r s 趾d 咖d e m so fm ee x p e f i m e m s ，m m l l i n gt h ed e m 柚d so f l ed e v e l o p m e mo f m i c r o c o n t i 。o l l e re x p e r i m e n _ t s t h i st h e s i sa i m st od e s i g nt h es o f h a r ea n dh a r d w a r es y s t e m so fo n l i n e ，r e a l 越m e ， i n t e r a c t i v em i c r o c o n t r d l l e rc x p e r i l l l c m a ls y s t e m s ，w h i c hi so f g r e a tt l l e o l o g i c a li m p o r t a l l c e 觚d p r a c t i c a lm e a n i l l g f o rm ei m p r o v c m e n to fe x p e 血n e n t si n p r e s e n tc o l k g e j 1 1 i c r o c o n t f d 儿e rc o u r s e s w i t l lac o r eo ft h e5 1s 鲥e so fm j c r o c o n t r o l 】e re x n e r i m e n t a l s y s t e m ，a i l dt l l em o n i t o r i n gc l l i po fc 8 0 5 1 f 1 2 0 ，t h i sp 叫e c tc o m p l e t e sm em o n i t o r i i 培o f m i c m c o n t r o l l e re x p e m e l l t a lb o a r da i l dt l l ed e s i 印i i l go fi n t e r a c t i v es o 丘w a r ev i at l l e n e t 、v o r kp r 0 群猢i n go n 也ep l a t f o 啪o f v c + + 1 1 1 ef h i i s 王l 甜t a s k so f t h i sp r o j e c ta r ca sf o l l 嗍： 1 e la _ b o r a t i l l gt h ep r o c e s s e s 肌dt l l eh o t p o i n t s mt h e d e v e l o p m to fc o l l e g e m i c r o c o n t m l l e a b o r a t o r i e s ，a i i da n a l y z i t l gm ep r o b l e m se x i s t i i l gi nm eb u i l d i n go f t l l e s el a b o r a t o f i e s 2 i nn l eh a r d 、 ，a r e 嬲p e c t ，c o m p l e t i n gt l l ed e s i g n i n go fm i c m c o n t m l l e fo l l l i n en e t w o r k e x p e f j m 髓t a lb o a r df o rs t u d c 玎招a n dt h em i c r o c o n 怕l l e re x p 鲥m 髓t a lm o t l i 妇j n g b o a r d 3 i nt 1 1 es o f w a r ea s p e c t ，f i n j s h i n gm e d e s i g i l i n go fm i c r o c o t r o l l e rm o n i t o r i n gp r o g 姗s 趾di i l t e r a c t i v es o r w a r e t bs 哪u p ，“st l l e s i sc o m p i e t c st h ed e v e l o p m e n to fo n i i n e ，r e a l - t i m e ，i n t e r a c t i v e e x p e r i m e n t a ls o f t _ w a r ea i l dh a r d w a r e ，d e v e l o p sa i l dr e s c a r c h e si nt h eo i l l i n e ，r e a l t i m e ， i n t e r a c t i v ee x p e d n 地n t a _ ls y s t e m s ，w h i c hi so fg r e a te x p l o r i n gs i g i l i f i c a l l c ei nt h en n u r e i l 山东理工大学硕上学位论文absll认ct c o l l e g ei n t e r a c t i v ee x p e r i n l e i n a l t e a c h i n go f 面c r o c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：r e a l - t i m ei n t e r a c t i v e e x 阳恤e n t a ls y s t 锄， c 8 0 5lfm i c 眦o n 舡o l l e r c l i e n t s e r v e r ，o n l i n ep r 0 莎锄m i i l g h i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名穆继在 时间：c k 缈? 年月j 弓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生虢弘撕 导师签名 时间：纱扩年艿月够日 时阃：p 年6 窍| p b 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 1 1 1 课题的来源与背景 第一章绪论 本课题来源于山东理工大学校级课题“在线实时互动式实验系统的开发研究 。 单片机原理与应用是高等学校电子类、计算机类的专业课中占有重要位置的 课程，具有很强的实践性、应用性和工程性。从学校教学和学生学习的角度来看，仅 仅是在课堂上老师讲授原理性的东西是不够的，必须要有一定的实验实践才能更好的 掌握和领会这门课程。这需要在老师授课的同时，开设一定的实验课程，让学生拥有 足够的实践机会。 目前，大部分的单片机教学实验还是延续着以往的教学方式，其教学过程通常是 n 1 ：老师布置实验；学生按老师的要求上机实验；实验完成后提交实验报告；老师根 据提交的文档和实验结果作为学生的成绩。在这种方式下，指导教师和学生之间缺少 互动交流。指导教师对学生在实验中的进程不了解，不能及时发现学生在实验中存在 的问题。学生完成实验显得很是被动，在实验中有了疑问也不能及时得到指导教师的 回答。同时，如果指导教师在实验室内逐个解决试验中学生存在的问题，这也加重了 实验指导教师的负担。这种情况下，单片机实验的效果和效率就得不到有效的保证。 因此，针对目前单片机实验教学中存在的上述问题，本文提出了在线实时互动式 实验系统。在实验室的局域网条件下，完成该系统的软硬件设计，实现了实验状态的 自动采集测控和学生和指导教师之间的互动。 1 1 2m c s _ 5 1 系列单片机在单片机教学中的作用 随着微处理器和微型计算机问世，单片机在工业控制、通信领域，特别是机电一 体化产品中应用越来越广。单片机实验教学在培养学生对所学知识运用的能力，加深 对理论课程理解能力，提高学生在实验中的动手实践能力等方面，有着十分重要的作 用。因此，单片机实验教学在计算机硬件技术、电子技术等专业中具有重要的位置。 自1 9 8 2 年8 位通用单片机在我国应用以来，经过2 0 多年的发展，目前单片机在 位数、速度、性能、种类等方面已远非昔日可比，而且各种新型单片机正在源源不断 地涌现出来。开发设计人员在应用中也有意识地选用位数更高、速度更快、功耗更低、 功能更强大的单片机，以增加产品档次和简化开发任务。 由于8 位单片机在国内乃至国际上仍占有重要地位。在8 位单片机中又以m c s 5 1 系列单片机及其兼容机所占的份额最大。因此，一些国际半导体公司在推出其他新型 山不理工大学硕上学位论义第一章绪论 单片机的同时，始终没有放弃基于m c s 5 1 内核单片机的研发工作，并且有的公司还 有所加强( 例如p l l i l i p s 公司) 。 在高等学校的单片机教育中更是如此，虽然目前3 2 位的嵌入式微处理器的发展 如火如荼，而且在很多高校的计算机硬件技术和电子技术的课程中占有越来越重要的 位置。但由于5 1 系列单片机具有结构简单、成本低、功能强、软硬件资源丰富的特 点，使得5l 单片机教学在高校单片机实验教学上面占据着主导地位。并且，在今后 的相当长的时间内，以8 位m c s 5 1 系列为首的单片机在中低端产品开发中，仍然占 有非常重要的位置。这也就注定了在今后相当长的时期内，5 1 单片机教学仍然具有 十分重要的地位。因此，开发适应新形势下的5 l 单片机实验系统也有着举足轻重的 意义。 1 2 当前单片机实验教学的几种方式 当前，单片机教学仍然是以学校老师授课为主，在教学的过程中老师清楚学生在 实验中存在的问题，老师和学生之间缺少互动。但随着技术的发展，特别是各种互动 技术在实验室建设上的应用，以往千篇一律的实验室模式有了很大的改变。 1 2 1 p r o t e u sv s m 虚拟实验室的建设 p r o t e u s 是软件是来自英国l a b c e n t e re l e c 们i l i c s 公司的e d a 工具软件，它的突破之 处针对微处理器的应用，可以在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的 实时调试。如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟 仪器如示波器、逻辑分析仪等，p r o t e u s 可以用来建立完备的电子设计开发环境。在仿 真和程序调试时，是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。 p r o t e u sv s m 的发展使得单片机实验室的建设可以不需要较大的投资就可以完成 单片机实验室建设砼1 ，但它的缺点也是显而易见的。由于它是建立在虚拟条件下的实 验室，无论程序的运行还是调试都是在一种理想的状态下，并不考虑在实际的工程运 用中的周围复杂的电磁干扰及其他干扰，距离实际的工程运用可能有较大的差距。同 时这种实验室仅仅是对单片机实验原理的仿真，不能使学生真正接触到实际的硬件电 路，学生也不能自已动手接通电路。虽然有时也可以直观地观察实验结果，但不能使 学生从最真切的角度接触到实验系统。因此，p r o t e u sv s m 对于有实际工程经验的电 子工程师设计电子产品上可能有很大的帮助，但对于学生尤其是刚刚接触到单片机的 学生来说，并不是最好的选择。他们仍然需要在实际的单片机上进行实验，而不是仅 仅在电脑上进行实验仿真。 1 2 2 基于w e b 的单片机教学实验系统嘲 2 山东理】大学硬上学位论义第一章绪论 基于w e b 的教学实验系统是为了适应远程教学实验而开发的实验系统。这种实 验室是虚拟仪器、虚拟现实等技术和网络技术的结合，通过采集学生在远端客户机上 对各种电子元件或者程序的操作，模拟实际的实验过程，使学生不用操作实际物理器 件就可以得到实验的结果。这样，学生在远离实验室的情况下就可以利用实验室 搜备 进行实验，极大的提高了实验室的利用效率，节省了实验设备。 综上所述，目前，高等学校的单片机实验教学仪器，大部分仍然是陈旧落后的教 学仪器，老师在讲授实验的内容后，学生就开始做实验。在实验的过程中实验指导教 师无法及时了解学生的实验进度和过程，也不知道学生实验过程中存在的问题。学生 在实验中有了问题也无法和指导老师进行交流，有时候实验的结果也无法及时反馈给 老师。这使得整个实验过程中老师和学生无法沟通，并且在调试程序的过程中，需要 昂贵的仿真器来进行调试程序，极大的提高了实验室的成本。 1 3 本课题采用的设计方法和所做的工作 本课题针对传统的实验过程中存在的问题，提出单片机互动实验的新方法，即利 用单片机及数据采集技术、网络技术，实现实验教学过程中的实时互动。 1 采用c 8 0 5 l f l 2 0 单片机采集学生在5 l 单片机实验板上实验时的实验数据， 检测学生在实验过程中的不同阶段，发现学生在实验过程中的问题。通过单片机和 p c 上位机计算机的通信，及时地将采集结果发送到p c 上位机。 2 设计了基于客户机服务器模式的实时互动式软件。以v c + + 6 o 作为开发平 台，利用网络通信技术、数据库技术、多线程编程技术，开发了既能显示实验结果， 又能实现实验指导教师和学生实时互动的互动式软件。 本课题研究的实时互动式实验系统是在传统的单片机实验室的基础上，采用网络 技术和嵌入式技术结合，使学生在实验中和实验指导教师及时交流实验中存在的问 题，指导教师能够实时的观察学生的实验过程，实现教与学的互动。在实验装置上， 利用s s t 8 9 系列单片机提供的在线仿真调试功能，开发制作了具有在线仿真调试功 能的5 1 单片机学生实验板，配合k e i i “s i o n 3 调试环境实现单片机的在线可编程实 验，节约了实验室的建设成本。 本文主要完成的任务有： 设计在线可调试的5 1 单片机实验系统。 设计5 l 单片机实验系统的监控板，实现对学生实验过程的监控。 设计5 1 单片机实验板监控的下位机程序。 完成了实时互动式上位机软件设计。 1 4 本文的创新之处 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 本文在单片机实验室的局域网条件下，设计了能够在线实时互动的单片机实验系 统，在理论和实践上有很大的创新。具体主要体现在： 1 在不增加实验室成本的条件下，利用r s 2 3 2 串口和s s t 8 9 系列单片机，设 计了可在线编程调试的5 l 单片机学生实验板系统。同时，节省了实验室中的编程器、 仿真器等昂贵设备，节约了实验室成本。 2 通过c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机，实现对学生实验过程的自动监控，并通过u s b 通 信，将实验结果及时发送到p c 上位机，学生可以根据采集的实验结果及时发现自己 在实验中存在的问题。 3 通过v c 平台下的网络编程，实现了实验结果在实验室局域网内的传输。并 且，还设计了上位机互动式软件，在学生实验的过程中，实验指导教师可以随时观察 学生实验的过程，学生在实验中存在的问题也可以实时地反馈给实验指导教师，实现 了学生和指导教师的实时互动。 4 山东理工大学硕士学位论文第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 2 1 系统总体方案说明 在线实时互动式实验系统是利用现有的学校实验室局域网的设备，用当前先进的 软硬件技术，完成软硬件设备的开发。其主要设备包括计算机网络、嵌入式系统、5 1 单片机实验板和服务技术软件组成。其中的构成的硬件系统主要有：计算机网络服务 器、计算机终端( 在一个实验室中一般有4 0 到6 0 台计算机) 、数据采集模块以及5 1 单片机实验模板；软件系统主要有：( 1 ) 中心服务器软件、互动通讯软件；( 2 ) 嵌入 式系统软件、实验系统软件、试验结果数据采集平台。其硬件总体架构如图2 1 所示： 图2 1 在线实时互动式实验系统的整体硬件架构 当前，网络技术在高校实验室教学中应用非常广泛，利用网络技术实现的远程教 育、远程实验等。特别是网络技术和其他技术的结合，如和虚拟仪器技术、虚拟现实 技术以及嵌入式技术等结合产生的远程虚拟仪器实验室，远程监控实验室【4 j 等。 在线实时互动实验系统是根据实验室局域网的现有条件，利用网络传输快的特点 完成数据的实时传输的实验系统。在实时互动式实验中，充分利用网络技术和单片机 嵌入式技术的结合，实现了实验设备状态的采集、发送和判断；用单片机技术检测学 生实验进行的状态和结果，并传输到计算机上；用计算机网络传输检测的结果。实验 指导教师实时观测到学生做实验的过程，并及时解决学生在实验中存在的问题。 2 2 在线实时互动式实验系统的基本功能和实验设置 2 2 1 在线实时互动式实验系统的基本功能 系统的总体分析是为了保证系统能够正常工作进行的总体构想，它是系统能够正 5 山东理工大学硕士学位论文第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 常运行的保证，它的正确性、可靠性、经济性决定了系统将来的实用价值。针对在线 实时互动式实验系统的性能要求，提出了系统基本的功能： 1 实时互动功能：实时性是在系统设计时要考虑的一个重点，必须保证学生的 问题能够得到指导教师的及时回答，保证数据的实时采集、传输和控制。互动是指导 教师和学生之间的交流，学生能够把在实验中遇到的问题反映给实验指导教师，指导 教师能够及时解答学生在实验中提出的问题，实现学生和指导老师的互动，提高学生 的学习积极性和实验效果。 2 在线可编程功能：在线可编程功能是指学生可以在实验板上对实验程序进行 在线调试和运行。该方法抛弃了传统5 l 单片机的编程器和仿真器，能够在单片机的 芯片上进行程序的运行，实现了系统的在线编程和程序下载，节约实验室的建设成本。 3 自动监控功能：从学生实验的开始就对学生实验的过程进行监控，能够自动 识别每个实验中要监控的模拟量、数字量、实验结果等；能够自动监控实验中存在的 问题，并把存在的问题和错误及时发送给学生。 2 2 2 学生实验板的实验设置 针对单片机系统教学中的教学实验任务，本文选择了具有代表性的单片机实验作 为在线实时互动式教学实验。主要有一下几个实验： 1 l e d 发光二极管显示实验 2 6 2 6 4 壬认m 扩展实验 3 键盘和八段数码管显示实验 4 模拟量数字量转换( a d c 0 8 0 9 ) 实验 5 数字量模拟量转换( d a c 0 8 3 2 ) 实验 。 2 3 实时互动式实验系统的组织架构 在线实时互动式实验系统利用实验室局域网的有利条件，用单片机检测学生实验 的实验过程，通过实时互动式软件将结果传输到指导教师端的计算机上。基于这种要 求我们设计了检测的硬件电路，完成上位机互动软件设计。 2 3 1 实验网络模型选择 计算机网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合的产物。现在的高 校单片机实验室内计算机设备都是基于局域网内的连接，这给实时互动式实验系统的 开发提供了良好的条件。 局域网的工作模式是根据局域网中各计算机的位置来决定的。目前局域网主要存 6 山东理工人学硕士学位论文第二覃实验系统的总体系统架构及硬件选择 在着两种工作模式，它们主要涉及到用户存取和共享信息的方式，它们分别是：客户 服务器( c s ) 模式和点对点( p e e r - t 0 p e e r ) 通信模式。 1 客户服务器模式( c s ) 这是一种基于服务器的网络，在这种模式中，其中一台或几台较大的计算机集中 进行共享数据库的管理和存取，称为服务器；而将其它的应用处理工作分散到网络中 其它计算机上去做，构成分布式的处理系统，服务器控制管理数据的能力己由文件管 理方式上升为数据库管理方式。因此，c s 网络模式的服务器也称为数据库服务器。 这类网络模式主要注重于数据定义、存取安全、备份及还原，并发控制及事务管理， 执行诸如选择检索和索引排序等数据库管理功能。它有足够的能力做到把通过其处理 后用户所需的那一部分数据，而不是整个文件通过网络传送到客户机去，减轻了网络 的传输负荷。c s 网络模式是数据库技术的发展和普遍应用与局域网技术发展相结合 的结果。这种模式与下面所讲的点对点模式主要存在以下的不同： 后端数据库负责完成大量的任务处理，如果c s 型数据库查找一个特定的信息片 段，在搜寻整个数据库期间并不返回每条记录的结果，而只是在搜寻结束时返回最后 的结果。如果数据库应用程序的客户机在处理数据库事务时失败，服务器为了维护数 据库的完整性，将自动重新执行这个事件。 、 2 对等式网络( p e e r - t o p e e r ) 在拓扑结构上与专用s e e r 的c s 不同，在对等式网络结构中，没有专用服务器。 在这种网络模式中，每一个工作站既可以起客户机的作用也可以起服务器作用。有许 多网络操作系统可应用于点对点网络，如微软的w i n d o w sf o rw b r k g r o u p s 、w i n d o w s n tw o r k s t a t i o n 、w i n d o w s9 x 和n o v e ul i t e 等。 点对点对等式网络有许多优点，如它比上面所介绍的c s 网络模式造价低，它们 允许数据库和处理机能分布在一个很大的范围里，还允许动态地安排计算机需求。当 然它的缺点也是非常明显的，那就是提供较少的服务功能，并且难以确定文件的位置， 使得整个网络难以管理。 与对等网络相比，客户服务器模式具有专用性、交互性强；网络通讯量低、速度 快的优点【5 j 。因此，在本文中的设计中采用客户机朋艮务器( c s ) 模设进行编程设计。 2 4 开发平台介绍 2 4 1 v is u alc + + 开发平台的介绍 s 砌c + + 是微软公司推出的面向对象的功能强大的可视化集成编程系统，是该 公司s 砌s t u d i o 系列的一个重要产品，用它开发的程序具有运行速度快、可移植 能力强的特点。它的开发环境包含了文本编辑器( t e x te d i t o r ) 、资源编辑器( r e s o u r c e 7 山东理工大学硕士学位论文第二苹实验系统的总体系统架构及硬件选择 e d i t o r ) 、源代码浏览器( s o u r c ec o d eb r o w s e r ) 、c c + + 编译器( c c + + c o m p i l e r ) 、 调试器( d e b u g g e r ) 、连接器( l i i l l 【e r ) 、m s d n 在线帮助系统等i 6 。 在编程实践中，应用程序的所有内容如源程序、资源文件、各种选项等是通过工 程文件组织在一起的，而工程本身是通过v c + + 6 o 的w b r k s p a c e ( 工作台) 窗口来实 现的，程序员的大部分时间是在与工程的w r o r k s p a c e 打交道。在v c + + 6 0 的开发环 境下，程序员可以完成应用程序的创建、编码、编译、测试等各个开发阶段的工作， 可以处理各种类型的文档，也可以将各种其他文件加入工程中，纳入开发环境的管理 之中，并通过工程文件打开并编辑这些文件，程序员可以很方便地开发出功能强大的 应用软件。 2 5 w in d o w s 下的局域网内的网络编程介绍 2 5 1 w in d o w ss o c k e t s 的来源m w i n d o w ss o c k e t s 规范是以u c b e r k e l e y 大学的b s du n i x 中的s o c k e t s 接口为规 范，定义了一套m i c r o s o rw i n d o w s 下的网络编程接口。它提供了一组针对w i n d o w s 的扩展函数库，使程序员能够充分地利用w i n d o w s 的消息驱动机制进行编程。 w i n d o w ss o c k e t s 定义了如何利用a p i 实现与i n t e m e t 协议族( 通常是指t c p i p ) 的连接。应用程序通过调用w i n d o w ss o c k e t s 的a p i 实现相互之间的通信，而w i n d o w s s o c k e t s 的实际的通信工作是通过下层的网络通信协议和操作系统实现的8 1 。它们之 间的关系如图2 2 。 l 应用程序lk 叫应用程序2 上 t l 网络编程界面如w i n d 。w ss 。c k e t s 土t i 网络通信服务界面如t c p i p 上丁 i 操作系统如晰n d 。w s 土t l 物理通信介质 图2 2 网络应用程序的实现过程 2 5 2w in d o w ss o c k e t s 通信 8 山东理工大学硕上学位论文第二章实验系统的总体系统架构及硬件选掸 w i n d o w ss o c k e t s 的通信基础是套接字( s o c k e t s ) 程序之间进行通信，就是向系 统申请一个套接字( s o c k e t ) ，然后通过s o c k e t s 实现两台机器上的程序的通信。 s o c k e t s 的通信方式主要有两种：一种是有连接的方式，即需要在两个通信之间建 立一条连接链路，其工作方式是必须在两端确定通路后数据才能正确的接受和发送； 第二种是无连接的数据报文方式，这时通信的两台计算机发送的数据在传输的过程中 可能会丢失，也可能接收的顺序和发送的顺序不相同，这种方式不能保证数据的可靠 有序无重复性。 为了保证网络中通信的畅通，在实时互动式软件系统中采用了基于v c h 缶0 开发 平的基于t c p i p 的网络编程。 2 6 数据库的支持 在实时互动式实验系统的上位机软件中，要对学生实验进行管理，记录学生的基 本状况、实验时间、结果以及实验成绩等历史记录，这就要求有数据库的支持。同时 使用数据库可以使老师在指导学生实验的时候，通过分析数据掌握学生实验中存在的 问题。在v c + + 中常用到的数据库技术主要有下面几种【1 0 】： 1 o d b c 技术 开放数据库互连( o p e nd 缎l b a s ec o n n e c t i v 时，o d b c ) 技术是是微软公司开放服 务结构( w i n d o w so p e ns e i c e sa r c h i t e c t i 鹏，w o s a ) 中有关数据库的一个组成部分， 它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准a p i ( 应用程序编程接口) 。 o d b c 的工作依赖于数据库制造商提供的驱动程序，在o d b c 的d l l 下安装不同数 据库的驱动程序，开发人员可以访问不同的数据库资源。o d b c 的应用非常广泛，几 乎可以应用于所有的关系数据库。 但是，o d b c 存取速度比较慢，还只能应用于关系数据库，对于非关系数据库， 如对象数据库等非关系数据库，它就无能为力了。这些缺点限制了o d b c 数据库的 应用。 2 d a o 技术 d a o ( d a t a b a s ea c c e s so b j e c t ) 使用m i c r o s o rj e t 数据库引擎来访问数据库，它是第 一个面向对象的接口。m i c r o s o rj e t 为像a c c e s s 和v i s u a lb a s i c 这样的产品提供了数 据引擎。它提供了一种通过程序代码创建和操纵数据库的机制。与o d b c 一样，d a o 提供了一组a p i 供编程使用。m f cd a o 是微软提供的用于访问m i c r o s o rj e t 数据库 文件( 如a c c e s s ) 强有力的数据库开发工具。它通过对d a o 的封装，向程序员提供了 d a o 丰富的操作数据库手段。 3 o l e a d o 技术 o l e d b ( o b j e c tl i n ka n de m b e d d i n gd 酏a b a s e ) 是基于c o m 接口的访问数据库的 9 山东理工大学硕士学位论文第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 新技术。o l e d b 提供了对包括关系数据库和非关系数据库在内的所有文件系统的统 一接口。与o d b c 技术相似，o l e d b 属于数据库访问技术中的底层接口，它封装 了o d b c 的功能，并以统一的方式访问存储在不同信息源中的数据。这些特性使得 o l e d b 技术比传统的数据库访问技术更加优越，而且速度也很快。 a d o 技术是基于o l e d b 的访问接口。它对0 l e d b 的接口做了封装，定义了 a d o 对象，属于数据库访问的高层接口。由于掌握和使用更为方便，在基于c o m 技术的数据库访问中，通常使用a d o 技术而不是o l e d b 。a d o 使程序员能够编写 应用程序，并通过o l e d b 提供者访问和操作数据库服务器中的数据。 相比较其它三种数据库，a d 0 具有易于使用、速度快、内存支出少和磁盘遗迹 小的优点。因此，本系统中的数据库支持是采用a d o 数据库作为在线实时互动式实 验系统的后台数据库。 2 7 单片机监控部分的硬件概述 为了能够及时地了解学生在实验过程中的进程及结果，本文利用c 8 0 5 l f 系列单 片机对学生单片机实验过程进行采集。 c 8 0 5 l f 单片机是美国s i l i c o nl a b s 公司生产的一款基于5 1 内核的混合信号片上 系统单片机，它在普通5 l 单片机的基础上，设计了具有自主知识产权的c i p 5 1 内核。 以本文所用的c 8 0 5 1 f 1 2 0 为例，介绍该单片机的特点，以及在实验监测中的应用。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机是一款1 0 0 引脚的，具有t q f p 封装的单片机芯片。 2 7 1c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机的片内资源玎 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机是完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片，具有6 4 个数字 i o 引脚( 1 0 0 脚t q f p 封装) 下面列出了一些主要特性； ( 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 l 兼容的c i p 5 1 内核( 1 0 0 m i p s ) 。 ( 2 ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 。 ( 3 ) 真正1 2 位、1 0 0 k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关。 ( 4 ) 真j 下8 位5 0 0 k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关。 ( 5 ) 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式。 ( 6 ) 2 周期的1 6 x 1 6 乘法和累加引擎。 ( 7 ) 1 2 8 k 可在系统编程的f l a s h 存储器。 ( 8 ) 8 4 4 8 ( 8 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 。 ( 9 ) 可寻址6 4 k b 地址空间的外部数据存储器接口。 ( 1 0 ) 硬件实现的s p i 、s m b u 饥2 c 和两个u a r t 串行接口。 l o 山东理工大学硕上学位论文 第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 ( 1 1 ) 5 个通用的1 6 位定时器。 ( 1 2 ) 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列。 ( 1 3 ) 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 ( 1 4 ) 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器。 2 7 2c 8 0 5 1f 12 0 单片机的特点 c 8 0 5 l f 系列单片机是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用 户固件使能、禁止和配置。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易 失性数据存储，并允许现场更新c 8 0 5 1 固件。片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终 应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该 调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命 令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。其原理框图如图 2 3 所示 图2 3 c 8 0 5 1f 12 0 单片机的原理框图 2 8m o l l i t o r 一5 l 仿真调试原理及学生实验板单片机芯片选择 2 8 1 在线仿真调试原理 = 一 k n “ ” h n ” w ：辫：= 挂 h 抖”h n 摊 抖 h 山东理工大学硕上学位论文第二苹实验系统的总体系统架构及硬件选择 k e i lu v i s i o n 3 是德国k e i l 公司推出的w i n d o w s 版的8 0 5 l 系列单片机开发套件， 可用于编译c 源程序、汇编源程序，链接和定位目标文件和库，创建h e x 文件以及 调试目标程序，并内嵌有i u x 5 l 实时操作系统，可简化复杂的多任务实时应用系统 的设计【l 引。 m o n i t o r - 51 在线编程调试是在k e i l s i o n 3 调试开发平台中利用计算机的串行口 ( c o m 口) 与目标单片机连接的一种侵入式的调试方法。p c 机端由k e i lp v i s i o n 3i d e 的调试器和m o i l i t o r - 5 1 的驱动程序m o n 5 1 d l l 组成；目标端由r s 2 3 2 收发器、5 l 系列单片机及m o n o i t o r _ 5 l 监控程序组成。k e i l s i o n 3i d e 凋试器将用户的调试指 令通过p c 机的r s 一2 3 2 接口传送给目标板；目标板的r s 2 3 2 收发器将其转化为t t l 电平后送给5 1 单片机，最后由单片机中驻留的m o n i t o r - 5 1 监控程序分析并执行【1 3 】。 其在线调试原理如图2 4 所示。 p c 机实验板 k c 丑u s i o n ) e监控程序 r s 2 3 2通信电缆凹沏2 图2 4 单片机实验仿真原理 2 8 2 学生实验板单片机芯片的选择及s s t 8 9 系列单片机的特点n 州埘 学生实验板中的5 1 单片机芯片是选择s s t 公司的s s t 8 9 e 5 1 6 芯片。s s t 8 9 e 5 1 6 单片机是美国s s t 公司推出的多用途5 l 单片机，具有很高的性价比。其最大的特点 是有7 2 k 片内f l a s he e p r o m 程序存储器，它利用了s s t 的超级f l a s h 专利技术。 超级f l a s h 存储器被分成两个独立的程序存储块，基本f l a s hb l o c k 0 占用6 4 k 字 节片内程序存储空间，二级f l a s hb l o c kl 占用8 k 字节的片内程序存储空间；8 k 字节的二级f l a s hb l o c k1 块能被映射到6 4 k 字节低地址空间，它也能从程序计数 器中被隐藏掉，而用做一个独立的类似e e p r o m 的数据存储器。 s s t 8 9 e 51 6 单片机具有s o f t i c e 在片仿真调试功能，开发工程师不需仿真器和编 程器便可开发调试产品，可实现单步、断点、全速的仿真，变量数据一目了然。并且， 在片仿真解决了专用仿真器存在的仿真时程序运行良好，而下载程序到片内则运行结 1 2 山东理工大学硕士学位论文第二章实验系统的总体系统架构及硬件选择 果不同的问题。不但可以省掉昂贵的仿真器，节约实验室的大量成本，还能使调试过 程变得方便。同时，用s s t 8 9 系列单片机设计的学生实验板既是编程器又是学习机， 还可以进行仿真和演示。 2 8 3s s t 8 9 e 5 16 单片机在线仿真调试 s s t 单片机在线仿真功能是通过串口实现的，利用k e i lm o n i t o r - 5 1 的功能，通过串 口进行程序的下载调试。通过串口和s s t 公司提供的b s l ( b o o t s t r 印l o a d e r ) 软件s s t e a s vi a p l l f 将s s t 公司提供的s o f t i c e 监控程序下载到具有8 k 字节的二级f l a s h b l o c k1 中。在调试程序时，程序将