多課程綜合軟件仿真系統的設計與應用

高 林

(湖北民族學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

0 引 言

“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”這三門課程是現今大多數高校電子、電氣和自動化專業開設的重要專業基礎和專業課程。“數字電路”是“微機原理”的基礎,“微機原理”是“數字電路”的延續和升華, 兩者無論在指導思想上還是在內容上都應該順利過渡[1]。基于這個特點，國內有學者建議將目前的“數字電路”與“微機原理”課程內容整合為一門課程[2]。而“微機原理”一直作為“單片機原理”的先導課程，兩者之間有著非常緊密的聯系[3]。這兩門課程的內容既有很大交叉，又有各自的特點：微機原理及應用理論更系統，而單片機應用性更強[4]。由于“微機原理”與“單片機原理”課程間的緊密聯系，國內也有學者主張將這兩門課合并處理[3,5]。但是不管上述三門課程是合并開設，還是仍然獨立開設，傳統的“PPT+板書”的理論教學模式對電路原理和功能的講解單調且枯燥，而且很難講清楚復雜的電路結構，而且傳統的“PC機+實驗箱”的實驗教學模式，也存在實驗設備老化、價格昂貴、電路固定不能修改、利于驗證性而不利于設計性實驗等問題。

鑒于上述三門課程傳統教學中存在的問題，迫切需要引入先進的技術手段以進行改進。目前, 電子類課程的仿真軟件非常多, 這些軟件中, 還沒有一個軟件比Proteus軟件對電子類課程的影響大[6]。Proteus軟件是由英國Labcenter公司開發，作為一個從設計到完成的完整電子設計與仿真平臺, 由于其能實現電路仿真與處理器仿真的有機結合, 為電子專業多課程一體化仿真提供了革命性的手段, 已經被越來越多大學采用[7]。Proteus強大的設計與仿真功能被廣泛應用在“數字電路”、“模擬電路”、“單片機原理”、“嵌入式系統”等多門課程的教學和實驗中。但是，Proteus在“微機原理”教學中的應用卻鮮有報道，這主要是因為以往的Proteus版本缺乏對“微機原理”課程所涉及芯片的支持。直至2009 年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺及Proteus 7.5 SP3軟件，支持8086微處理器與8255、8253、8259、8251等接口芯片的系統仿真[8-9]。因此，有必要針對“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”三門課程設計出一個基于Proteus的多課程綜合軟件仿真系統，不管這三門課程是合并還是分開，都能夠用于提升這些課程的教學效果。

1 仿真系統設計

結合“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”三門課程的教學內容，以及三門課程現有實驗條件，以Proteus軟件為平臺，設計出一個多課程綜合軟件仿真系統。該系統總體框圖如圖1所示。

該系統的核心有三種，①不使用微控制器，主要針對“數字電路”課程；②以8086最小模式系統(由1片8086CPU、3片74LS373鎖存器和2片74LS245雙向數據緩沖器組成[10])為核心，主要針對“微機原理”課程；③以AT89C52單片機為核心，主要針對“單片機原理”課程。在該系統實際應用時，也可以根據需要選擇其中一種或幾種作為核心。在系統核心之外，具有多種外圍電路，包括：

圖1 系統總體框圖

(1) 一般數字電路。主要是圖中上下兩部分外圍電路，包括觸發器、編碼器、寄存器、數據分配器、數據選擇器、數值比較器、算術運算電路、計數器、555定時器、基本邏輯門電路、譯碼器、顯示譯碼器、鎖存器、存儲器、A/D轉換器和D/A轉換器等[11]。其中有一部分電路通常只用于“數字電路”課程中，如算術運算電路、計數器等，而有些電路則三門課程都經常使用，如鎖存器、譯碼器、555定時器、A/D轉換器和D/A轉換器等。

(2) 可編程接口電路。主要是825x系列可編程芯片，包括并口擴展芯片8255、串口擴展芯片8251、計數器/定時器8253和中斷控制器8259這四種，它們一般用在“微機原理”和“單片機原理”課程中。另外“微機原理”課程中常見的DMA控制器8237不能進行仿真[12]。

(3) 常用串行總線。主要是I2C總線和RS-232總線，用于模擬單片機與PC機、單片機之間或單片機與串行設備進行數據交換[13]。這些串行總線主要用在“單片機原理”課程中。

(4) 輸入/輸出電路。輸出電路包括數碼管顯示、發光二極管顯示、16×16LED點陣顯示和液晶顯示等，輸入電路包括獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。輸入/輸出電路在三門課程中會經常用到。

2 系統應用案例

當上述系統設計出來以后，就能夠直接用于“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”三門課程的教學中。該系統在應用過程中存在與相關課程編程軟件配合使用的問題，其中純數字電路不需要編程，“微機原理”課程采用“Masm for Windows集成實驗環境”軟件進行匯編語言源程序的編寫和編譯，而“單片機原理”課程則采用Keil C軟件和C51語言[14]。下面以一個綜合上述三門課程的應用案例來說明在教學中使用該系統進行仿真的過程，案例的功能是AT89C52和8086通過串行通信同步各自的數字時鐘顯示。

2.1 電路原理

此案例電路原理框圖如圖2所示。其中AT89C52單片機以4×4矩陣式鍵盤為輸入設備，1602液晶顯示為輸出設備，通過自身串口經由串口擴展芯片8251與8086最小模式系統相連。8086CPU通過并口擴展芯片8255的PA口、PB口和PC口分別輸出hr、min、sec數值，并連接6個七段顯示譯碼器74LS248和6個數碼管組成的顯示器，采用靜態方式進行顯示。8086CPU還要通過計數器/定時器8253產生兩路方波信號，其中通道1將時鐘源產生的230.4 kHz方波變成38.4 kHz的方波輸出，作為8251芯片的發送器/接收器時鐘(TXC/RXC)信號；通道2將NE555多諧振蕩器產生的72 Hz矩形波信號變成1 Hz方波輸出，既用作AT89C52單片機的外部中斷INT0的中斷請求信號，又用于控制數碼管hr、min顯示和min、sec顯示之間小數點的每sec閃爍。而8086CPU周邊可編程芯片8251、8253和8255的片選信號均由74LS138譯碼器提供。

該案例要求4×4矩陣式鍵盤設定時鐘數值和控制時鐘啟動/停止，8253產生的1 Hz方波通過單片機外部中斷INT0控制時鐘每秒變化，AT89C52單片機的日歷(year、mon、day和week)和時鐘信息在1602液晶上顯示。而8086最小模式系統的時鐘顯示在數碼管顯示器上，AT89C52單片機通過串口每秒發送hr、min、sec數據給8086CPU，由此獲得AT89C52單片機和8086最小模式系統各自的數字時鐘同步顯示的效果。

2.2 程序流程

8086CPU和AT89C52單片機的主程序流程如圖3所示。8086CPU將8255的PA、PB和PC三個并口均設為方式0輸出，8253所用兩個計數器通道均工作在方式3(方波發生器)，8251設為8位異步串行通信，波特率因子為16，通信波特率為2.4 kb/s，采用查詢式輸入(查詢接收準備好標志RXRDY)，且連續接收3次，分別是hr、min和sec的數值，再將這些數值通過8255輸出并顯示。AT89C52單片機將串口設置為方式1，定時器T1作為波特率發生器，通信波特率與8251相同，還要開啟外部中斷INT0，并設為下降沿觸發，然后反復執行鍵盤掃描函數，在此過程中，INT0中斷服務函數每隔1 s執行一次，讓時鐘發生變化并在1602液晶上顯示，同時將時鐘數值從串口輸出。

圖3 主程序流程圖

2.3 仿真結果

首先在Proteus軟件中完成電路原理圖設計，然后在“Masm for Windows 集成實驗環境”軟件中進行8086匯編語言程序的編寫、編譯和連接，并將生成的EXE文件裝載到8086CPU中作為程序文件(Program File)。接著在Keil C軟件中完成單片機C51語言程序的編寫和編譯，將生成的HEX文件裝載到AT89C52中[15]。最后按F12或點擊工具欄的運行按鈕，Proteus開始運行[16-17]，其仿真結果如圖4所示，圖中數碼管上顯示的是8086CPU接收的時鐘信息(23.56.42)，1602液晶上顯示的是單片機上的日歷(2013.9.23 MON)和時鐘(23:56:42)信息，可見兩邊時鐘顯示保持同步，4×4矩陣式鍵盤中0～9數字鍵用于設置hr、min、sec數值，ON/C鍵用于啟動/停止時鐘。

圖4 仿真結果圖

3 結 語

通過上述案例表明，不管“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”三門課程如何設置，該綜合軟件仿真系統均能幫助教師提高課程教學效果，提升學生的學習興趣和實踐動手能力，培養他們電路系統開發的能力。該系統不但能用于三門課程的理論和實驗教學，還能夠用于課程設計和畢業設計中。而且該系統還能繼續擴展，將模擬電路、其他單片機和嵌入式系統等納入其中，構建一個更加龐大和完善的多課程一體化綜合軟件仿真平臺。

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