2020年浅谈接口综合设计实验平台的设计与应用论文

浅谈接口综合设计实验平台的设计与应用论文 “微机原理汇编及接口设计”是学生学习和掌握计算机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程，基础性、技术性、应用性和工程实践性强。课程以微处理器、总线、接口和程序设计为主线，要求学生掌握微型计算机系统的体系结构、CPU 工作原理和指令系统，学会合理选用存储器和接口芯片，并能根据不同的要求分析和设计系统的硬件结构，用编程的方法实现定时、I/O口控制、按键、显示、中断等功能。学生通过该课程的学习，能够巩固和加深对先修课程知识的理解，为进一步学习仪器仪表、测量控制、计算机控制、单片机原理、嵌入式系统等专业课程奠定理论基础和微机软硬件应用基础。该课程是培养高素质创新型人才的重要环节。 原“微机原理汇编及接口设计”课程的硬件设计实验只需按照接线引脚图即可完成，学生缺乏对接口电路设计环节的应用练习。以经典的“数码管显示”实验为例，大多沿用“简单的输出接口”实验中接口设计电路进行调试，不能充分锻炼学生的综合实践能力和创新能力。笔者在原有的教学实验装置上，设计开发了基于8086微处理器的“接口综合设计”实验平台。该平台不但能很好地帮助学生深入理解和灵活运用理论知识，还能帮助学生提高综合应用的能力，实现从验证性思维到设计、创新性思维的转变。 1.1 平台设计 接口综合设计实验的建设应该在传承经典的基础上，更加适应实验教学发展的趋势，丰富其内涵。接口综合设计实验平台的设计理念是营造探索性实验环境，注重实践创新能力培养，通过融合先进的EDA技术，培养学生综合设计开发能力和创新能力。 接口综合设计实验是在现有教学实验装置上，融合了8086微处理器的系统仿真设计，并选用Proteus作为系统仿真软件。Proteus是一款EDA工具软件，是基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统，软硬件设计仿真平台Proteus 7.5提供了VSMfor 8086模块，增加对8086CPU 的仿真，为培养学生综合设计能力和自主创新能力提供了技术支撑。 结合设计的实验项目，提供了程序设计流程图、参考接口电路设计图、参考程序的范例内容，以及在Proteus环境下的仿真设计、虚拟仪器测试等内容供参考，目的是让学生利用已有范例资源直接进行虚拟仿真测试和软硬件联合调试，尽快掌握原理和接口设计方法，为后续实验的自主设计、自由发挥打好基础。 1.2 关键技术 应用Proteus进行8086接口技术仿真，主要是在Proteus ISIS中电路原理图、设置外部代码编译器、编写和添加源代码及仿真调试。搭建一个培养学生综合设计能力和自主创新能力的实践平台，需要解决几个关键问题。 1.2.1 I/O地址译码电路设计 现有教学实验箱上选用64个I/O地址，分Y0Y7共8组输出，地址分别为280H287H、288H28FH、290H297H、298H29FH、2A0H2A7H、2A8H2AFH、2B0H2B7H、2B8H2BFH。8条输出线在实验箱的I/O地址处分别由自锁紧插孔Y0Y7引出。 结合实验箱I/O地址译码电路，利用8086微处理器和相关外围芯片构造I/O 译码电路，并存成部件组。在Proteus仿真设计环境中用到的仿真元件信息。 1.2.2 加载汇编程序 现有的教学实验箱是通过USB接口将实验箱信号传送到微机，USB模块产生的仿ISA总线信号直接从实验箱上输出。为了培养学生对于接口电路的仿真设计能力，要求学生先进行汇编语言程序设计，并加载到Proteus环境下的仿真设计接口电路中进行虚拟仪器测试，确定满足要求的接口电路设计方案，再利用现有教学实验箱和接口开发环境进行硬件电路接线和软硬件联调。 1.2.3 子电路设计和使用 结合精品实验项目设计的侧重点，在Proteus环境下将部分常用电路(例如I/O 接口译码电路)设计为子电路，方便学生进行仿真电路设计时直接使用。分析现有教学实验箱上I/O 地址选用情况，设计了Proteus环境下I/O接口译码子电路和使用。 2.1 案例内容 以经典的“数码管显示”实验为例，其中的“显示接口综合实验”项目的实施内容以微机系统的总线结构为基础，贯穿多个接口芯片的功能应用，注重营造探索性实验环境，着重提高学生灵活应用多种接口芯片的综合设计能力和创新能力。 该实验要求学生掌握数码管的显示原理，实现数码管静态和动态显示。学生经过简单的输入、输出接口实验，已熟悉接口电路设计的基本原则、缓冲器和锁存器在接口电路中的作用，对于可编程并行接口芯片8255A、可编程定时器/计数器芯片8253也有了初步了解。范例采用层次化设计方法，由简单到复杂，引导学生逐步掌握显示接口设计的要点。 演示实验利用数码管循环显示数字单字符(09)，在学生掌握动态显示原理后，利用数码管同时显示2个字符(如“EF”)，最后利用数码管实现循环显示数字(099)。 2.2 应用案例的实施过程 2.2.1 注重引导，逐步完善 在显示接口综合设计实验教学开始阶段，注重引导学生根据实验的要求自主制订虚拟仿真实验的初步设计方案。随着理论知识的增加，学生可以自主改进方案、完善功能，并最终自主完成实验，使综合设计能力和创新能力得到锻炼，提出问题和解决问题的实践能力得到提高。 为方便师生交流、保证实验进度，建立了“微机原理虚拟仿真”QQ群，并公布了答疑和提交仿真设计方案的邮箱(virtualsimulation163.)。学生在制订虚拟仿真初步设计方案的过程中，由于刚刚开始接触接口部分的理论知识，因而略显被动和随意，但在逐步深入地学习后续课程内容的过程中，会根据自己所掌握知识的更新和积累，主动完善自己的设计方案。此时，学生被动思维模式转为主动思维模式，学习更具有探索性和目的性。 2.2.2 掌握相关平台的使用和流程 当学生学习了接口实验预备知识并做过简单输入输出接口实验后，对实验箱和硬件设计过程便有了初步的了解和认识，可以提供给学生虚拟仿真实验指导书、相关设计软件和演示例程，指导学生进行虚拟仿真环境的搭建和例程的演示。 经过这个过程，学生可以学会使用虚拟仿真软件Proteus进行方案设计和硬件实现方法。在显示接口综合实验项目的实施过程中，教师要针对学生遇到的问题，讲解Proteus软件的一些基本使用方法和注意事项，帮助学生改进自己的虚拟仿真设计。虚拟仿真设计成功，就可以进行最终的硬件实现流程。 2.2.3 后续改进与作品展示 学生后续的实验内容为8253和8259芯片的功能测试项目，该项目引导学生通过对这些芯片的理解和掌握，进一步改进显示接口综合设计方案。显示接口综合实验完成后要进行设计作品的展示。学生通过展示作品，可以发现作品的价值和有待改进之处，而且可以学习到其他同学的设计理念和设计方法，培养了探索精神，提升了自主设计、开发的能力和信心。 2.3 典型自主设计案例 显示接口综合实验注重基于任务驱动的情景化教 学，引导学生进行体验性学习，营造自主探索的实验环境;启发学生在范例内容的基础上，结合自主设计的任务情境，充分发挥、扩展创新;培养学生综合设计创新能力和发现问题、分析问题、解决问题的能力;鼓励学生查阅资料并自主制订多种设计方案，训练学生的科学思维和探索精神，亲身去体验实验的基础性、独创性、多样性和研究性;引导学生借助于Proteus仿真软件自主设计电路，然后把软件仿真的结果移植到硬件实验箱中，体验从仿真到应用的科学设计流程。学生自主设计的内容是：选取可以利用显示接口的项目进行方案设计，例如交通信号灯设计、抢答器设计、时钟显示设计、空调或冰箱温度设定与显示设计等。学生可自主设计项目的具体功能、可自由扩展发挥，不同侧重点的设计方案对学生灵活掌握多种接口芯片的功能与使用方法有不同的要求。 (1)交通信号灯的仿真设计案例。学生在虚拟仿真环境下初步设计实验方案、改进功能，最终实现常用接口芯片8253+8255的综合性设计方案，并利用现有实验箱完成仿真实验。该虚拟仿真环境为学生提供了充分发挥想象力的空间，学生可以自主仿真实际环境现场。通过仿真设计，交通信号灯接口实验可以形象表达而不受硬件条件的制约，既锻炼了学生理论知识的应用能力，又培养了学生理论结合实际的实践创新能力。 (2)抢答器设计案例。以往的实验项目涉及的内容相对单一，设计的综合性、复杂性不高，因而设计调试过程中遇到的问题相对简单、明显;而由于本实验项目提高了综合性和设计性，在调试过程中出现的问题也变得比较复杂，对学生分析问题、解决问题和综合实践能力提出了更高的要求。通过对学生实验报告的分析可知，学生通过自主设计、自主实现的过程，在编程语言、逻辑思路、分析