基于Proteus串行通信系統的教學研究與設計

王冬星，王　健，馬英瑞，李　梓，李　娟

(大慶師范大學 計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163712)

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基于Proteus串行通信系統的教學研究與設計

王冬星，王健，馬英瑞，李梓，李娟

(大慶師范大學 計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：單片機原理中串行通信理論知識的講解相對較難，為將其理論知識融于“做中學”，讓學生在學習過程中有直觀認識，研究與設計了一個基于Proteus的串行通信教學系統，使學生在制作串行通信系統實物之前通過對仿真系統的調試，加深對單片機系統設計的理解，減少實驗器材的消耗并避免一些危險的產生。基于仿真環境教授單片機串行通信知識，使學生能達到所見即所學，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果，為相關教學提供了借鑒。

關鍵詞：Proteus；串行通信；單片機

0引言

2016年，物聯網將攻克一批關鍵核心技術，被進一步擴大應用，在未來十年內會迎來其發展的高峰期，物聯網技術人才也會炙手可熱[1]。而眾多高校的物聯網專業均會開設《單片機原理與應用》之類的嵌入式課程，在此課程中對學生的電路設計、程序設計、系統綜合設計與調試等能力進行訓練，使其能對理論與實踐進行良好融合，快速地適應企業崗位并對嵌入式系統設計有深刻認識。

傳統的單片機教學是理論與實驗相分離，實驗時學生按照實驗說明書在實驗箱上連接固定電路，下載相關程序、調試、運行、觀看實驗現象，由于已知元器件固定，學生對電路設計較少、自行創新設計內容也較少，很難提高學生的自主學習能力[2]；同時，學生在枯燥情況下會由于好奇心對實驗箱進行破壞性操作，造成實驗耗材的不必要損失，這種現象在講授單片機串行通信知識時會更加明顯一些。

Proteus由英國Labcenter electronic公司生產的一款電路分析與實物仿真軟件，是目前最好的模擬單片機等元器件運行的仿真工具之一，對常見元器件，在硬件設計完成前通過Proteus進行硬件仿真，可以大量節約開發周期[3]。Keil是編寫單片機程序的軟件開發環境，Proteus與Keil聯合使用，可以對單片機系統的設計進行軟硬件聯合調試，既方便設計開發過程，又節省了時間和費用；同時，基于Proteus仿真系統制作過程的教學演示，又引領學生進行了一步步深入的學習和思考，并讓學生自主設計完善系統，達到了良好的教學效果[4]。因此，本文以Proteus為硬件仿真工具、Keil為軟件開發環境，設計了一個基于Proteus的串行通信系統，為著重講解單片機的通信理論、在仿真教學系統中忽略某些擴展電子元器件的使用，以達到更好的教學效果。

1系統設計

1.1通信系統總體設計

文章設計的通信教學演示系統的總體思想為：突出串行通信的使用，使上位機對信息進行控制和處理，然后將處理結果通過串行通信發送給下位機，其設計框圖如圖1所示。系統中，上位機通過矩陣鍵盤獲得鍵值，將鍵值進行輸出，當按下“串行通信開關后”，上位機將矩陣鍵盤獲得的鍵值傳送到下位機上，并在下位機上輸出顯示；按下“下位機顯示關閉”鍵，下位機輸出模塊不再顯示數值。

圖1　系統結構圖

串行通信是上位機與下位機聯系的通道，上位機通過此通道將數據發送給下位機。每個單片機都有輸出模塊，為突出通信功能并簡化輸出模塊，輸出模塊在此系統中用LED數碼管顯示，主要用于顯示收到的數據和發送的數據。

1.2Proteus仿真系統設計

為方便講解單片機通信原理，用Proteus的ISIS環境繪制單片機串行通信原理圖，并加載程序調試運行，給學生以直觀認識，易于梳理學生的學習難點，經實踐證明教學效果良好，其教學流程如圖2所示。

圖2　基于Proteus的教學流程圖

本系統的主要目的是讓學生掌握單片機通信原理與控制流程，因此在仿真系統初始設計時，為減少外圍電子器件對主要理論學習的影響而將外圍電子器件省略，在后期學習時再逐漸被講解和使用。根據2.1節介紹的系統結構，在Proteus的ISIS環境中繪制的仿真原理圖，如圖3所示，系統明顯地具有輸入、輸出、串行通信和按鍵控制4個功能模塊。

圖3　仿真效果圖

其中，上位機具有以下4個功能：

1.接收矩陣鍵盤的輸入，對其輸入的鍵值進行辨別。

2.將矩陣鍵盤輸入的鍵值進行輸出，在數碼管上顯示。

3.按鍵“串行通信開關”被按下，通過串行通信，將數碼管上顯示的數據傳送給下位機。

4.按鍵“下位機顯示關閉”被按下，通過串行通信控制，控制關閉下位機數碼管、不顯示數據。

下位機具有以下2個功能：

1.通過串行通信，接收上位機發送到數據。

2.將串行通信接收的數據輸出，在數碼管上顯示；如果是按鍵“下位機顯示關閉”被按下，關閉其輸出模塊，即控制其數碼管不顯示數據。

1.3程序設計

在程序講解中重點要講解單片機串行通信的結構、寄存器SCON的設置和單片機串行中斷的使用方式。這3個部分也是單片機串行通信的理論講解重點，在學生學習過程中也屬于偏難的知識點，因此先通過演示系統例程，讓學生有直觀認識、然后讓學生自行設計或更改例程來創作更好的系統。程序流程圖如圖4，注意上位機和下位機分別使用不同的程序，將程序生成的HEX文件分別下載到相應的單片機中進行運行。

圖4　程序設計流程圖

上位機發送數據的關鍵代碼

void Send(unsigned char data_send) {

SBUF=data_send;//發送緩沖區接收發送字符

while(TI==0) ; //緩沖區沒發完就等待

TI=0; //為了接收下一幀數據，需將TI清0

}

下位機接收數據的關鍵代碼

unsigned char Receive(void){

unsigned char data_rev;

while(RI==0) ;//只要接收中斷標志位RI沒有被置"1"

//等待，直至接收完畢(RI=1)

RI=0; //為了接收下一幀數據，需將RI清0

data_rev=SBUF;//將接收緩沖器中的數據存于data_rev

return data_rev;

}

1.4擴展設計

學生在掌握通信系統原理與編寫程序技巧后，應能對上述通信系統進行擴展設計，例如：

1.將上述系統改成雙機串行通信，2個單片機都能接收和發送。

2.修改輸出模塊和輸入模塊，形成更豐富串行通信演示系統。

3.自學外圍電子元器件，制作實物串行通信系統。

基于原有系統的擴展訓練，提高了學生的動手能力，無疑是對他們創新創業的一個很好訓練。

2結語

基于Proteus串行通信系統的教學演示和設計，縮短了平時通信原理知識的授課學時，通過所見即所得的仿真效果，加深了學生學習的印象，提高了教學效率。利用仿真環境進行教學，省去了實驗器材的消耗，避免了一些危險情況的產生，值得相關教學借鑒。

[參考文獻]

[1] 王乃國，朱香衛．物聯網應用技術專業人才需求及高職生的崗位分析[J]．中國職業技術教育，2014(31):76-79.

[2] 高慶華，王潔．基于Proteus的單片機綜合設計實驗教學[J]．實驗室科學，2015，18(5):119-121.

[3] 王冬星 許有軍．單片機技術及C51仿真與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2015.

[4] 吳小紅．基于Proteus軟件的單片機實驗室構建的研究[J]．通訊世界，2016(1)：262-263.

作者簡介：王冬星(1977-)，女，黑龍江大慶人，副教授，從事計算機應用和軟硬件協調設計研究。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“地方本科院校轉型過程中計算機應用技術型人才培養模式的研究與實踐”;大慶師范學院教育教學改革項目(JY1521)。

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2016)03-0033-03

收稿日期：2016-02-05

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.009