單片機原理與微機原理綜合仿真系統的設計及應用

高 林

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

微機原理課程和單片機原理課程在電子、電氣和自動化等專業中廣泛的開設。微機原理課程偏向于原理性的介紹，涉及的實驗比較簡單；而單片機原理課程則偏向于應用性，涉及的實驗較多。這兩門課程的實驗過程、使用的芯片及編程的方式非常類似[1]。正是由于這種相似性，國內有學者便主張將這兩門課合并[2]。但這兩門課程不管是合并處理還是單獨開設，傳統的教學都是通過一定的理論教學課加上有限的實驗教學課進行的[3]。實驗課上所使用的實驗儀器設備存在硬件電路固定、學生不能更改、實驗內容固定等方面的局限性。

為了解決傳統教學存在的問題，有必要采用先進的教學手段和教學方法提高教學質量[4]。Proteus是一款已經廣泛應用于單片機教學和仿真實驗[5]的軟件，并且已經開發出基于Proteus的單片機仿真實驗系統[6]。自從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后[7]，它在微機原理教學中的應用也逐漸增多，但是Proteus在多門課程中的綜合應用卻鮮有報道。因此，需要設計出一個基于Proteus的單片機與微機原理綜合仿真系統，以同時提升這兩門課程的教學效果。

1 綜合仿真系統的設計

本文以Proteus 7.5 SP3以上版本軟件為平臺，結合微機原理和單片機原理兩門課程所涉及的教學內容和學校現有實驗平臺的電路結構，設計出一個綜合仿真系統。該系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

整個系統的核心是AT89C51單片機和8086最小模式系統。如果外圍電路較少，單片機引腳夠用，則P0—P3口工作在通用I/O口方式，否則，P0—P3口工作在三總線(即地址總線、數據總線和控制總線)方式[8]。8086微處理器則工作在最小模式，還包括3片74LS373作為地址鎖存器[9]。

在外圍配有其他主要電路模塊。

(1) 人機交互界面。以16×16點陣、發光二極管、數碼管顯示和液晶顯示器為輸出設備，其中前三者需要通過I/O接口與系統核心相連，I/O接口既可以是基本I/O并口芯片(如8位鎖存器等)，也可以是可編程并口芯片(如8255等)。另外，系統以獨立式鍵盤和4×4矩陣式鍵盤為輸入設備。

(2) 常用接口電路。包括串口擴展芯片8251、并口擴展芯片8255、基本I/O并口擴展芯片、定時/計數器8253、8位A/D轉換器ADC0808、8位D/A轉換器DAC0832等。由于Proteus的局限性，微機原理課程中常見的DMA控制器8237等不能仿真[10]。

(3) 通信電路模塊。主要是RS-232串行總線、I2C總線等，用于模擬與PC機、其他單片機或串行設備的數據交換。8086必須經過串口擴展芯片8251才能與外設進行串行通信，而AT89C51則自帶串口。

2 綜合仿真系統的應用

當系統設計出來以后，直接引入到微機原理課程和單片機原理課程的實際教學中。不但能使學生很好地掌握流行的編譯器和仿真平臺，還能有效地訓練學生繪制電路原理圖、PCB圖及電路仿真的能力[11]。由于Proteus本身未提供8086編譯器，微機原理課程采用EMU8086軟件進行匯編語言源程序的編寫和編譯[12]。而單片機程序編制則采用Keil C軟件和C51語言[13]。本文以“8086與AT89C51串行通信實驗”為例說明該系統的應用方法和仿真過程。

2.1 實驗要求

AT89C51單片機以1602液晶顯示器為輸出設備，以4×4矩陣式鍵盤為輸入設備。8086最小模式系統用8251擴展串口，以8255擴展出的并口作為段碼鎖存器和位碼鎖存器，使6個數碼管構成顯示器。AT89C51單片機通過自身串口，經由8251再與8086微處理器進行數據交換。該實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗原理框圖

實驗要求每按下一個鍵，將鍵值(以0—F的ASCII碼形式表示)通過單片機串口輸出，經過8251送入8086中，然后將其顯示在數碼顯示器上(顯示格式“X-YYH”,X為字符，YY為ASCII碼值的十六進制表示)，并且將接收的字符又回送給單片機，最后單片機將其顯示在1602液晶顯示器上。

2.2 電路結構

該實驗電路從綜合仿真系統中選擇7個電路模塊組成，每個模塊功能如下：

(1) AT89C51單片機：單片機晶振頻率為11.059 2 MHz。由于外圍電路不多，工作在通用I/O口方式，P0口接1602液晶顯示器D0—D7，P2口連接鍵盤，串口及液晶控制線位于P3口；

(2) 1602液晶顯示：將單片機接收的字符以2行16列、從左向右的方式顯示出來；

(3) 4×4矩陣式鍵盤：4根行線接P2口低四位，4根列線接P2口高四位，單片機采用行掃描法讀取鍵值；

(4) 8086最小模式系統：通過地址鎖存器及74LS138譯碼器產生地址信號選址8255和8251芯片，通過數據總線與外界交換數據，控制信號主要是ALE和讀/寫信號輸出；

(5) 串口擴展芯片8251：擴展8086的串口功能，其串行輸出TXD和串行輸入RXD與單片機串口交叉互連，而且串口接收和發生時鐘RXC/TXC接153.6 kHz的時鐘信號，保證串行波特率與單片機一致；

(6) 并口擴展芯片8255：PA口作為數碼顯示的段碼鎖存，PB口控制位碼鎖存，外接74LS244的目的是提高驅動能力，保證數碼顯示足夠的亮度；

(7) 數碼管顯示：6個共陽極數碼管并排放置，8根段選線共用，位選線為6根。

2.3 程序流程

AT89C51單片機和8086微處理器的主程序流程如圖3所示。其中單片機串口設置為方式1，定時器T1作為波特率發生器，波特率為9 600。串行數據發送采用的是查詢方式(查詢發送中斷標志TI),串行接收采用中斷方式。8086微處理器將8255設為方式0輸出，8251設為8位異步串行通信，波特率因子為16，波特率為9 600，進行查詢式輸入(查詢接收準備好標志RXRDY)和無條件輸出。

2.4 仿真結果

首先在Proteus中完成電路原理圖設計，然后在Keil C軟件中完成單片機的編程，將生成的HEX文件裝載到AT89C51中作為程序文件(Program File)。接著在EMU8086軟件中進行8086匯編語言程序的編寫和編譯，生成的EXE文件作為8086的程序文件。最后點擊Proteus 軟件的運行按鈕，就會按照加載進去的程序進行仿真[14]。其仿真結果如圖4所示，圖中數碼管上顯示的是最后一個接收到的字符及其ASCII碼值，1602液晶顯示器上顯示的是8086回送給單片機的字符，此刻鍵盤所按下的鍵正好是“E”。

圖3 主程序流程圖

圖4 仿真結果圖

3 結束語

上述應用實例表明，不管微機原理和單片機原理課程是合并還是分開設置，該綜合仿真系統都能夠幫助教師更好地完成教學，并且培養學生的實踐動手能力。該系統應用于理論教學可提高課堂的互動性，有利于學生理解相關基礎知識；應用于實驗教學，有利于學生理解相關電路和編寫程序；應用于課程設計、畢業設計，則可以加強學生的工程項目設計能力，提高系統開發的效率。

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