單片機軟件仿真在高校實驗教學中的應用

摘 要:對軟件仿真在本科單片機實驗教學中的應用做了探討，為在現有實驗教學資源的條件下迅速提高教學質量提供了一種新的思路。

關鍵詞:單片機 軟件仿真 中斷

中圖分類號:TP38文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0182-03

單片機，又稱單片微控制器，是將計算機系統集成到一個芯片上的電子系統，應用范圍十分廣泛。目前，各高校電子信息和自動化等專業均開設了單片機課程，注重對學生進行單片機知識的普及和單片機使用技能的培養[1]。

單片機是一門實踐性很強的課程，從某種意義上講，學生上機體驗豐富與否，將直接影響教學效果。然而，受到實驗課時和實驗資源的限制，僅憑課堂有限的學時是無法大幅度提升學生的單片機應用能力的，他們不得不在課下缺少單片機資源的條件下進行學習。因此，使用單片機的軟件仿真環境，也成為了他們的必備技能之一。除了滿足脫機環境下的學習需求之外，軟件仿真在控制程序的精確耗時方面有著獨特的優勢。所以，注意在單片機實驗教學中培養學生應用軟件仿真分析問題的能力是十分必要的[2]。

1 單片機軟件仿真在高校教學中的應用

1.1 單片機軟件仿真環境

單片機軟件仿真是指在沒有或尚未連接單片機的情況下，采用上位PC機軟件模擬單片機運行狀態的輔助開發手段。本文以天津科技大學PIC單片機授課所使用的microchip公司18F4520單片機為研究對象，具體介紹軟件仿真在高校單片機教學中的應用。

1.2 定時器中斷程序設計的代表性

眾所周知，中斷是單片機教學的重點和難點，這是因為它要涉及程序的暫停、中斷的開啟、數據的暫存、中斷的終止、數據的恢復和主程序的執行等內容，涉及知識點多，學生理解起來較為抽象，所以一般的短時實驗教學效果并不理想，需要學生在課下通過軟件仿真來慢慢消化理解。教學中常用的中斷有兩種:一種是如由諸如按鍵按下等外部事件引發的中斷;另一種則是由定時器所產生的中斷。對于前者，由于有外部行為的發生作為標志，理解起來相對容易;對于后者，由于單片機的指令周期很短，通常都在微秒級別，人的生理器官無法體察如此短的時間變化，而中斷的一系列過程又恰恰在這期間漸次發生。所以，如果能讓這些微秒級別的程序流程變得直觀可測，無疑將有助于提高教學效果[3]。

軟件仿真的應用，可以使上述要求得到滿足，這也是本文選擇定時器中斷程序進行軟件仿真的原因。

1.3 應用軟件仿真進行定時器中斷程序的教學

(1)教學要求。

要求學生完成如下設計:使用外接10MHz時鐘的18F4520的TMR0定時器，每隔100μs發出中斷指令并進行往復取反操作，以產生一個5kHz的方波并驅動蜂鳴器發聲。程序較為簡單，其原理見圖1。可以看出，程序的關鍵在于如何精確發出中斷指令。

學生的困惑集中在下面兩個方面:(1)如何發出中斷，中斷的流程如何;(2)如何精確確定定時器的觸發時間。這兩點，均可通過軟件仿真解決。

(2)使用軟件仿真幫助學生完成設計。

18F4520單片機集成開發環境Mplab自帶了Mplab SIM軟件仿真器，可以用設置斷點的方法，跟蹤軟件的流程和各數據項的數值變化。由于外部時鐘的周期為0.1μs，因此18F4520的指令周期為0.4μs，要滿足100μs的間隔，TMR0這個8位計時器應該每計時250個指令周期發出一條中斷指令。

大多數學生的編程思路如下:首先，為中斷程序進行必要的環境標志位設置;之后，將TMR0計時器的初始值設為6。這是因為TMR0是8位計數器，每個指令周期，即0.4s計數一次，增加到255后的下一個指令會使TMR0溢出，產生中斷指令。學生認為應給計數器賦初值6，使其在溢出時計數250并產生100μs延時。這種方法乍看起來沒有紕漏，但卻無法得到正確結果。這是因為學生沒有明白中斷的具體流程，不清楚除了計數的時間消耗之外，還有諸如中斷跳轉語句之類的其他隱性消耗，如不加以考慮，是不可能得出理想結果的。

為了幫助學生熟悉程序流程，提示學生使用軟件仿真器跟蹤程序的主要步驟并觀察TMR0中斷計時器的低字節TMR0L(用來存放計數初值)的數值變化。在設置定時器初值的語句TMR0L=6處設置斷點，讓程序調試運行到此處，然后開始單步運行，很容易發現在語句執行到T0CONbits.TMR0ON=1處初值開始增加，說明計數器已經開始計數，當計數器增加到255(二進制11111111)時，TMR0L計數溢出，程序跳轉并開始執行新的中斷程序，說明中斷指令是在溢出之后自動發出的，如圖2所示，此過程不斷往返重復。

通過軟件仿真，程序的流程、中斷從哪里發出、計時從哪里開始等關鍵問題一目了然。而中斷計時是否符合要求，也可以得到驗證。在執行中斷的語句部分設定斷點，然后應用Mplab軟件仿真器的stopwatch功能觀察每個中斷周期的具體耗時，可以發現結果是105.6ms，與設計要求的100ms存在較大差距，如圖3所示。造成這一狀況的原因是程序在跳轉至中斷語句的過程中還要產生額外延時5.6ms，即14個計數周期，若不使用軟件仿真，這樣的癥結所在很難被察覺。排除此干擾的方法是在TMR0計時器的理論初始值6的基礎上加14，將計數初值設為20。具體情形如圖3所示。

可以看到，使用軟件仿真后，迅速執行的程序內部流程變得清晰可見，各步驟的耗時情況也變得量化可查，學習過程由抽象變得具體，理解難度也隨之大大降低，因而學生在課上和課下的學習效率得到了很大的提升。

2 結語

單片機軟件仿真技術特別適合初學單片機的本科生，結合課堂的講授，他們可以在課下沒有單片機的大量時間中利用該技術熟悉環境、編制和調試程序，鞏固所學知識，無形中大大提高了課堂的教學效果和上機操作水平。

當然，軟件仿真只能作為一種輔助教學手段，無法代替實際操作環節。只有將軟件仿真和課堂上機實踐有機結合起來，才能最大限度地利用好現有的教學資源，達到最佳的實驗教學效果[4]。

參考文獻

[1] 姜寧，樊延虎.單片機教學改革與實踐[J].延安大學學報(自然科學版)，2011，30(1).

[2] 喬吉新.淺談單片機的教學方法與教學手段[J].中國校外教育，2011，4.

[3] 胡坤.單片機的中斷技術[J].遼寧師專學報，2003，5(2).

[4]孫書芳，張家海，陳海霞.單片機教學中學生應用能力的培養[J].中國電力教育，2011，35.