單片機原理與微機原理綜合仿真系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)出基于Proteus的單片機仿真實驗系統(tǒng)[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(tǒng)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(tǒng)，以同時提升這兩門課程的教學效果。

1 綜合仿真系統(tǒng)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(xiàn)有實驗平臺的電路結構，設計出一個綜合仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

整個系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機和8086最小模式系統(tǒng)。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(shù)據(jù)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(fā)光二極管、數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的應用

當系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)：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(shù)據(jù)總線與外界交換數(shù)據(jù)，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(fā)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(shù)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(shù)碼顯示足夠的亮度；

(7) 數(shù)碼管顯示：6個共陽極數(shù)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(fā)生器，波特率為9 600。串行數(shù)據(jù)發(fā)送采用的是查詢方式(查詢發(fā)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(shù)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(tǒng)都能夠幫助教師更好地完成教學，并且培養(yǎng)學生的實踐動手能力。該系統(tǒng)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(yè)設計，則可以加強學生的工程項目設計能力，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率。

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