基于虛擬仿真軟件的單片機串行通信系統(tǒng)設(shè)計

唐敏

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116037）

目前，高職院校的單片機課程教學(xué)多是采取“理實一體化”的形式，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生掌握相應(yīng)的單片機理論知識，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生能夠應(yīng)用所掌握的理論知識完成設(shè)計要求。 兩個環(huán)節(jié)相輔相成，互為支撐。 但是，在實際教學(xué)過程中，2 個環(huán)節(jié)都存在一些問題[1]。理論教學(xué)中存在 “硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不好講”、“軟件控制過程不好講”和“擴展應(yīng)用連接控制不好講”3 個問題。實踐教學(xué)中存在“實驗臺局限”、“實踐場地局限”和“單片機種類局限”3 個問題。 由于上述存在的問題，很大程度上限制了學(xué)生的設(shè)計能力。

為了解決上述理論和實訓(xùn)教學(xué)中的問題，在教學(xué)過程中引入仿真軟件，一方面為單片機課程教學(xué)提供便捷的實訓(xùn)環(huán)境，并能更好地展開教學(xué)，使教學(xué)中的難點和重點直觀的講解，便于同學(xué)們理解單片機的理論知識；另一方面，為學(xué)生自學(xué)提供了便捷的實訓(xùn)環(huán)境，不僅使學(xué)生掌握目前企業(yè)主要使用的軟件，自己構(gòu)建企業(yè)實際單片開發(fā)環(huán)境，還可以通過軟件的使用理解單片機的知識，并進一步提高自己應(yīng)用單片機的能力，這樣也能更好系統(tǒng)的掌握開發(fā)方法，增強自己的實踐能力，培養(yǎng)科學(xué)研究的興趣，并通過對系統(tǒng)的調(diào)試，增加學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

以設(shè)計開發(fā)一個基于單片機的雙向串行通信控制教學(xué)系統(tǒng)為例。 學(xué)生可以通過該系統(tǒng)了解串行通信協(xié)議的相關(guān)原理和應(yīng)用。在該控制系統(tǒng)中，通過PROTEUS 仿真軟件搭建系統(tǒng)的硬件平臺[2]，再通過KEIL 軟件編輯和編譯系統(tǒng)的軟件代碼[3]，從而實現(xiàn)兩個單片機之間雙向數(shù)據(jù)串行通信[4]系統(tǒng)的設(shè)計。 為了使系統(tǒng)功能更加完善，系統(tǒng)中還能顯示發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)， 也可以通過PROTEUS 仿真軟件示波器觀察測試通信過程。 通過示波器測試數(shù)據(jù)波形，能夠很好理解通信協(xié)議中有關(guān)數(shù)據(jù)格式的規(guī)定，通過示波器測試的管腳電壓波形變化， 能夠很好理解通信協(xié)議中有關(guān)發(fā)送接收動作的規(guī)定，從而更好地理解串行通信協(xié)議[5]。 并能夠以此進行多機通信的擴展，也可以進行其他通信協(xié)議的擴展。

1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

根據(jù)單片機串行通信控制教學(xué)系統(tǒng)的要求，將整個系統(tǒng)按照功能劃分為控制模塊、通信模塊、顯示模塊和測試模塊4個部分。 如圖1 所示。

圖1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計框圖Fig. 1 Structure diagram of the serial communication teaching system

其中控制模塊主要是2 個單片機， 作為系統(tǒng)的核心部件，完成電源控制、時鐘控制和復(fù)位控制；通信模塊是2 個單片機之間的連接部分， 主要構(gòu)成數(shù)據(jù)發(fā)送通道和接收通道，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的雙向傳送；顯示模塊是LED 顯示器件，每個單片機側(cè)都有發(fā)送數(shù)據(jù)顯示部分和接收數(shù)據(jù)顯示部分，主要用于顯示將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)； 測試模塊是PROTEUS 軟件自帶的仿真示波器， 主要負(fù)責(zé)測試通信數(shù)據(jù)格式和通信動作時序。

2 基于Proteus 仿真軟件搭建硬件平臺

使用Proteus 仿真軟件， 根據(jù)不同功能模塊的要求搭建仿真的硬件平臺。 具體如圖2 所示。

圖2 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的硬件電路圖Fig. 2 Hardware of the serial communication teaching system

首先，進行控制模塊的硬件設(shè)計。 主要選擇器件，根據(jù)該教學(xué)系統(tǒng)中存儲空間和通信引腳的要求， 選擇AT89C51，內(nèi)部ROM 有4 k 字節(jié)，內(nèi)部RAM 有128 字節(jié)，有一個全雙工的UART 端口。 電源采用+5 V，時鐘電路外接12 MHz 晶振，在RST 引腳上引起2 個機器周期之上的高電平可以復(fù)位單片機。

第二步，進行通信模塊的硬件設(shè)計。 全雙工雙向通信是不能共用數(shù)據(jù)通道的， 因此需要搭建專門的雙向數(shù)據(jù)通道。發(fā)送數(shù)據(jù)的單片機將數(shù)據(jù)通過TXD 引腳發(fā)送， 經(jīng)過數(shù)據(jù)通道，傳送到接收數(shù)據(jù)的單片機的RXD 引腳。 發(fā)送數(shù)據(jù)的單片機作為主設(shè)備控制發(fā)送的數(shù)據(jù)和動作。 2 個單片機可以交替進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而實現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)通信。

第三步，進行顯示模塊的的硬件設(shè)計。 由于該教學(xué)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是簡單的單個字符， 因此選擇共陽極的7 段LED 數(shù)碼管就足夠顯示數(shù)據(jù)。 在單片機將要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先送到顯示模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)顯示部分顯示， 然后發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)后也送到顯示模塊中接收數(shù)據(jù)顯示部分顯示。 這樣，可以直觀地觀察到雙向串行通信的運行結(jié)果。

最后，進行測試模塊的設(shè)計。 此處，并不是采用實際的示波器，主要是考慮到學(xué)生自學(xué)過程中不具備這樣的條件。 取而代之的是Proteus 軟件自帶的仿真示波器， 只要安裝了Proteus 軟件就可以使用仿真示波器。

3 基于KEIL 軟件編輯編譯軟件系統(tǒng)

使用KEIL 軟件，主要完成控制模塊、通信模塊和顯示模塊的軟件代碼的編輯編譯[6]。

首先，進行控制模塊的軟件設(shè)計。 按照圖3 的軟件流程，控制模塊主要完成系統(tǒng)初始化、 串行通信控制和顯示控制3個部分。系統(tǒng)初始化完成存儲器、引腳和中斷的初始化。串行通信控制主要根據(jù)串行中斷狀態(tài)完成數(shù)據(jù)傳輸[7]。 顯示控制主要根據(jù)通信狀態(tài)完成數(shù)據(jù)顯示。

第二，進行通信模塊的軟件設(shè)計。 主要分為發(fā)送數(shù)據(jù)部分和接收數(shù)據(jù)2 個部分。 發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送數(shù)據(jù)送至發(fā)送緩存中，引起發(fā)送中斷，然后通過TXD 引腳串行發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過RXD 引腳串行接收到接收緩存中，引起接收中斷。

第三，進行顯示模塊的軟件設(shè)計[8]。 在即將發(fā)送數(shù)據(jù)前和接收到數(shù)據(jù)后顯示數(shù)據(jù)。

圖3 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的主程序流程圖Fig. 3 Flow chart of the serial communication teaching system

4 基于Proteus 軟件驗證系統(tǒng)

系統(tǒng)的正確性包括數(shù)據(jù)正確性、通信數(shù)據(jù)格式正確性和通信動作正確性。

首先，設(shè)置仿真示波器的測試引腳和測試環(huán)境參數(shù)，調(diào)節(jié)完成后， 就可以通過仿真示波器觀察到通信數(shù)據(jù)和引腳時序，保存觀察結(jié)果便于進行分析[9]。 其中測試引腳包括TXD 和RXD 引腳。 測試環(huán)境參數(shù)包括數(shù)據(jù)通道、掃描時間系數(shù)等參數(shù)。

其次，分析數(shù)據(jù)正確性，可以通過顯示模塊直觀分析。 將觀察的測試結(jié)果記錄如表1 所示。

根據(jù)表1 可以看出，甲機向乙機發(fā)送字符‘0’，乙機接收到后通過數(shù)碼管顯示結(jié)果也為‘0’，說明發(fā)送數(shù)據(jù)正確。 然后乙機再回送字符‘1’給甲機，甲機接收到后通過數(shù)碼管顯示結(jié)果也為‘1’，說明接收數(shù)據(jù)正確。 通過串行通信教學(xué)系統(tǒng)的顯示模塊直觀觀察結(jié)果，說明數(shù)據(jù)傳送正確。

表1 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的測試結(jié)果Tab. 1 Test result of the serial communication teaching system

最后，分析通信數(shù)據(jù)格式，觀察起始位、停止位和數(shù)據(jù)位。 最后觀察通信動作時序。

圖4 串行通信教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式Fig. 4 Data format of the serial communication teaching system

根據(jù)圖4 可以看出，甲機和乙機采用單片機串行通信工作方式1，為波特率可變的8 位異步通信口，數(shù)據(jù)為10 位，即1 個起始位、8 個數(shù)據(jù)位（低位在先，高位在前）和1 個停止位。 參照串行通信工作方式1 的時序圖，可以看出，除了起始位和停止位，發(fā)送的字符‘2’的共陽極段選碼為0xA4，發(fā)送的字符‘3’的共陽極段選碼為0xB0。

5 結(jié)束語

通過使用Proteus 仿真軟件設(shè)計硬件電路， 結(jié)合Keil 軟件設(shè)計程序，最終形成單片機串行通信教學(xué)系統(tǒng)。 該教學(xué)系統(tǒng)不僅可以完成內(nèi)容難度較大的串行通信的講解，在教學(xué)過程中把教學(xué)內(nèi)容直觀地展示給學(xué)生，同時也教會學(xué)生學(xué)習(xí)通信協(xié)議的方法，使學(xué)生具有使用串行通信的能力；還可以完成多種通信協(xié)議的擴展，并且不局限于單片機種類，也不局限于硬件電路和使用場地，有利于學(xué)生進一步學(xué)習(xí)多種通信協(xié)議，使學(xué)生具有單片機通信接口擴展的能力。

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