單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件設(shè)計(jì)

底群

摘 要：主要討論以微型計(jì)算機(jī)為操作平臺、基于Widnows操作系統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的全軟件仿真。針對自主研發(fā)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件的特點(diǎn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程面臨的問題，詳細(xì)闡述軟件的系統(tǒng)需求分析、建模及各子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。在此重點(diǎn)論述了仿真編譯、仿真運(yùn)行和仿真電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、相關(guān)算法的設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān) 鍵 詞：仿真軟件； 虛擬實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 仿真編譯

中圖分類號：TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0039?03

0 引 言

目前，各高校順應(yīng)發(fā)展設(shè)置的單片機(jī)課程是機(jī)電、自動化等電類專業(yè)的一門重要課程，是一門多基礎(chǔ)、多理論的實(shí)踐性課程[1]。在高職單片機(jī)教學(xué)過程中理論教學(xué)的發(fā)展已經(jīng)較為完善，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到經(jīng)費(fèi)的限制，提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，不能滿足學(xué)生的要求。

鑒于以上情況，開發(fā)單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的全軟件仿真。可以減少實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的開銷，又便于增添實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)也可借用投影儀更加清晰地為學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)，非常有利于學(xué)生加深對所學(xué)理論知識的感性認(rèn)識、掌握基本實(shí)驗(yàn)知識、方法、技能。對于有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺更具有優(yōu)勢[2]。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的系統(tǒng)組成

由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件系統(tǒng)較為復(fù)雜固將其設(shè)計(jì)為如干個(gè)子系統(tǒng)，對每個(gè)子系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)，最后將它們連接起來構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)模型。圖1說明了系統(tǒng)的組成和各子系統(tǒng)關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)模型

考慮到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件的具體情況，同時(shí)使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)與面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)2種方法，對于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件系統(tǒng)的功能模塊采用結(jié)構(gòu)化方法來設(shè)計(jì)。

采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)軟件中的用戶界面、各個(gè)窗口、菜單、仿真元件等，最后，將各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合在一起， 就構(gòu)成了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件。

下面對主要功能模塊進(jìn)行論述。

2 仿真編譯子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)際的編譯是利用編譯程序從源程序產(chǎn)生目標(biāo)程序的過程。該過程分為5個(gè)階段：詞法分析，語法分析，語義檢查，中間代碼生成，代碼優(yōu)化，目標(biāo)代碼生成。主要是進(jìn)行詞法分析和語法分析，又稱為源程序分析[3]。考慮本軟件的實(shí)際情況，仿真編譯子系統(tǒng)只進(jìn)行詞法分析和語法分析，發(fā)現(xiàn)有語法錯(cuò)誤，給出提示信息，仿真編譯成功后將仿真編譯結(jié)果保存。

（1）詞法分析模塊調(diào)用源程序編輯子系統(tǒng)產(chǎn)生的用戶源程序文件，逐行對文件中用戶輸入的源程序按照單片機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)定的符號，如：（“Rn”、“#”、“/”、“@”、“$”、“：”及7種不同尋址方式表示的數(shù)據(jù)或地址、指令轉(zhuǎn)移的偏移量、工作寄存器和特殊功能寄存器的表示符號、44個(gè)指令助記符、7個(gè)偽指令、用戶定義的標(biāo)號和符號常量、回車符）。進(jìn)行詞法分析，判斷用戶源程序中使用的基本符號是否正確，如果不是合法的符號則將錯(cuò)誤所在的位置及錯(cuò)誤的類型反饋給用戶，終止仿真編譯等待用戶修改后再一次運(yùn)行仿真編譯；如果是合法的符號則將每個(gè)符號以及符號的類型保存在string類型數(shù)組cifa[]和int類型數(shù)組type[]中供語法分析程序模塊使用。

（2）語法分析模塊首先定義了51系列單片機(jī)所有指令和偽指令的檢查函數(shù)。然后在詞法分析的基礎(chǔ)上，從數(shù)組cifa[]和數(shù)組type[]中取出用戶輸入的字符根據(jù)單片機(jī)指令的語法格式，字符的前后關(guān)系逐一進(jìn)行處理，并調(diào)用指令和偽指令的檢查函數(shù)判斷：用戶輸入的源程序是否符合語法規(guī)則；標(biāo)號和符號常量的定義與使用是否正確；偽指令的使用是否正確；程序是否以END結(jié)束等。如果存在錯(cuò)誤則將錯(cuò)誤所在的位置及錯(cuò)誤的類型反饋給用戶，終止仿真編譯等待用戶修改后再一次進(jìn)行仿真編譯；如果是正確的指令則將指令進(jìn)行處理（對指令地址、指令I(lǐng)D、指令字節(jié)數(shù)、指令周期、操作數(shù)類型、操作數(shù)的值等進(jìn)行處理）后存入預(yù)先定義的全局?jǐn)?shù)組對象command中。仿真運(yùn)行時(shí)由仿真運(yùn)行子系統(tǒng)調(diào)用。

3 仿真運(yùn)行子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）對51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)的111條指令建立對應(yīng)的處理函數(shù)，依照地址指針在指令類的數(shù)組對象中查詢到對應(yīng)元素，再根據(jù)指令I(lǐng)D調(diào)用指令的處理函數(shù)，完成指令的所有處理功能，返回下一指令地址給地址指針，實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行子系統(tǒng)的基本需求。

（2）設(shè)計(jì)狀態(tài)掃描程序，查詢中斷申請。當(dāng)有中斷時(shí)，在指令處理函數(shù)在完成指令的所有處理功能后進(jìn)行中斷處理。

（3）仿真運(yùn)行子系統(tǒng)與仿真電路建立子系統(tǒng)的信息交換功能的設(shè)計(jì)通過仿真電路子系統(tǒng)與程序仿真運(yùn)行子系統(tǒng)的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)仿真運(yùn)行子系統(tǒng)仿真執(zhí)行的指令向單片機(jī)I/O接口發(fā)送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將引起單片機(jī)外接電路及相關(guān)元件狀態(tài)的改變。此時(shí)，由仿真運(yùn)行子系統(tǒng)向仿真電路子系統(tǒng)發(fā)送消息，啟動仿真電路狀態(tài)修改進(jìn)程，對仿真電路及元件的狀態(tài)更新。然后修改進(jìn)程結(jié)束將控制權(quán)交還，繼續(xù)仿真運(yùn)行。

如果在仿真運(yùn)行期間仿真電路或元件（僅限按鈕開關(guān)）狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)則由仿真電路子系統(tǒng)向仿真運(yùn)行子系統(tǒng)發(fā)送消息，啟動仿真運(yùn)行狀態(tài)修改進(jìn)程，更新存儲器單元對應(yīng)的內(nèi)部變量。然后修改進(jìn)程結(jié)束將控制權(quán)交還，繼續(xù)仿真運(yùn)行。

4 仿真電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

仿真電路子系統(tǒng)在外部，它向用戶提供了一個(gè)可視的虛擬的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，用戶通過這一平臺建立仿真的實(shí)驗(yàn)電路。當(dāng)用戶仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)源程序時(shí)，將再次通過這一平臺進(jìn)行相關(guān)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在內(nèi)部，仿真電路子系統(tǒng)對用戶建立的仿真電路進(jìn)行元件的記錄、電路連接的分析、節(jié)點(diǎn)表的建立與維護(hù)、元件（包括單片機(jī)端口）狀態(tài)得計(jì)算，通過發(fā)送消息與仿真運(yùn)行子系統(tǒng)交互。最終達(dá)到在完全軟件仿真的環(huán)境中讓用戶完成單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 仿真元件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

元件是電路建立的基礎(chǔ)[4]。對實(shí)驗(yàn)中用到的電器元件（如：51系列單片機(jī)89S51、電阻、電容、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、各種開關(guān)、邏輯門電路、譯碼器、存儲器芯片等）設(shè)計(jì)元件類。另外將電源、接地、導(dǎo)線、節(jié)點(diǎn)也作為元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

部分元件以簡化的圖形表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)元件時(shí)為簡化軟件的設(shè)計(jì)，將元件以單元模塊的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即以單元模塊電路的形式將模擬元件簡化為數(shù)字邏輯單元。忽略了電路及元件具體的電流電壓等模擬特性。類似的單元模塊有，復(fù)位模塊、振蕩電路模塊、數(shù)碼管模塊、開關(guān)模塊。

4.2 元件類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

首先設(shè)計(jì)出CYuanJian類，它定義了元件共有的基本屬性及方法，例如：在窗口中的位置、元件的線條及填充顏色、元件管腳的坐標(biāo)，其次，對元件操作時(shí)的方法，例如：元件的繪制和對其他屬性進(jìn)行設(shè)置等。為了讓元件對象能方便地以數(shù)據(jù)文件的形式在存儲器中存儲和讀取，將CYuanJian類的父類定義為VC++ MFC提供的基類CObject類。這樣就可使用CObject類的成員函數(shù)Serialize（）對元件對象進(jìn)行串行化[5]。由于每個(gè)元件的外形均不相同，對元件進(jìn)行繪制的Draw（）函數(shù)和元件移動函數(shù)Move（）定義為虛函數(shù)，利用VC++的多態(tài)性在子類中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)這使得CYuanJian類成為了抽象類，CYuanJian類僅用來派生子類，不能實(shí)例化。

對每一個(gè)元件或單元模塊都根據(jù)上述方法建立對應(yīng)的類。元件類的建立是仿真電路建立的基礎(chǔ)。根據(jù)元件的功能要設(shè)計(jì)其自身特有的屬性和方法。由于元件較多受篇幅限制不再一一詳細(xì)敘述。

4.3 電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)電路設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中是非常復(fù)雜的，要考慮眾多因素，如：接口的驅(qū)動能力、布線不良使數(shù)字噪聲影響模擬信號、電源去耦合、高低頻噪聲的處理、信號延時(shí)造成的競爭與冒險(xiǎn)、阻抗匹配等[6]。在電路仿真設(shè)計(jì)時(shí)同樣采用元件設(shè)計(jì)時(shí)的思路，將電路簡化為一個(gè)數(shù)字電路模型。通過元件類中管腳結(jié)點(diǎn)號這一屬性記錄元件的連接信息，再通過結(jié)點(diǎn)表記錄各個(gè)結(jié)點(diǎn)的邏輯電平，最終元件同過結(jié)點(diǎn)的邏輯電平計(jì)算出自己的狀態(tài)。

數(shù)字電路中所有數(shù)字器件天然的按照時(shí)間的推移并行運(yùn)算。輸入的變化導(dǎo)致器件按照內(nèi)部的電路，完成一定的邏輯運(yùn)算并可能導(dǎo)致輸出的改變。實(shí)際電路中各個(gè)器件是并行運(yùn)行的，而程序指令的執(zhí)行是串行的[6]。在軟件仿真中，引腳狀態(tài)的變化，數(shù)字器件的運(yùn)算，只能按照程序中函數(shù)調(diào)用的順序，逐一執(zhí)行，或交替執(zhí)行。在不考慮信號延時(shí)的情況下，程序通過循環(huán)，檢測元件電路狀態(tài)最終計(jì)算出電路穩(wěn)定時(shí)的各元件輸出值，達(dá)到與實(shí)際電路一致的目的[8]。電路仿真設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)部分：

（1）元件的基本操作和元件的連接

單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)通過電路建立菜單中各菜單項(xiàng)及工具欄按鈕向用戶提供操作類型選擇。用戶首先選擇操作類型，主要包括選擇元件、添加元件、設(shè)置結(jié)點(diǎn)、連接元件等。用戶通過鍵盤操作（按下shift鍵）和鼠標(biāo)操作（左鍵單擊、右鍵單擊、雙擊、拖動）進(jìn)行仿真電路的建立或修改，系統(tǒng)獲得Windows消息判斷出鼠標(biāo)和鍵盤事件再結(jié)合操作類型以決定程序如何執(zhí)行；元件的連接反映出用戶期望實(shí)現(xiàn)的電路功能，仿真電路子系統(tǒng)要完成連接線和連接點(diǎn)信息的記錄，元件管腳結(jié)點(diǎn)號的更新，結(jié)點(diǎn)表的建立及更新。

（2）電路初始狀態(tài)的計(jì)算

電路初始狀態(tài)的計(jì)算的主要目的是根據(jù)仿真電路中的具體元件和連接信息計(jì)算出電路各結(jié)點(diǎn)的邏輯電平，進(jìn)而計(jì)算各元件管腳的邏輯電平，最終決定各元件的狀態(tài)。在這里將元件管腳分為輸入型、輸出型和雙向型三類，并設(shè)置優(yōu)先度。建立結(jié)點(diǎn)表時(shí)會將元件管腳的優(yōu)先度傳遞給結(jié)點(diǎn)，但電路元件狀態(tài)發(fā)生改變更新結(jié)點(diǎn)表時(shí)，對某一結(jié)點(diǎn)的改變要參考優(yōu)先度決定結(jié)點(diǎn)值。并在電路狀態(tài)計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)了一組規(guī)則以保證電路計(jì)算的正確性。電路初始狀態(tài)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)仿真電路違反連接規(guī)則時(shí)停止計(jì)算提示用戶修改。否則遵循計(jì)算規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。

（3）電路狀態(tài)的跟蹤

與現(xiàn)實(shí)中的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)一樣，在用戶進(jìn)行仿真運(yùn)行時(shí)有兩種情況會改變仿真電路的狀態(tài)，一是：正在運(yùn)行的用戶程序改變了單片機(jī)的I/O口。二是：用戶通過鼠標(biāo)操作改變了電路中按鈕開關(guān)或撥動開關(guān)的狀態(tài)。在設(shè)計(jì)時(shí)定義兩個(gè)函數(shù)IOchange（）和SWchange（），該函數(shù)采用與電路初始狀態(tài)計(jì)算相似的算法計(jì)算當(dāng)前電路狀態(tài)。仿真電路子系統(tǒng)將重新計(jì)算電路中個(gè)結(jié)點(diǎn)的邏輯值并更新元件管腳的值，同時(shí)發(fā)出消息使所有元件將發(fā)生重繪，在元件重繪時(shí)由元件類自己的成員函數(shù)根據(jù)管腳值計(jì)算元件狀態(tài)繪制對應(yīng)圖形。

5 結(jié) 論

本文在深入分析單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件建立系統(tǒng)模型并針對功能最為重要的仿真編譯、仿真運(yùn)行和電路仿真三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的論述。對詞法分析、語法分析、元件操作、元件連接以及電路狀態(tài)計(jì)算跟蹤等重要功能，設(shè)計(jì)了相關(guān)算法。由于單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用涉及到很多領(lǐng)域的相關(guān)知識，本文不是非常成熟和完善。但同時(shí)我們看到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件的應(yīng)用在單片機(jī)的教學(xué)過程中有著巨大的使用價(jià)值和深遠(yuǎn)的意義。

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