單片機程序設計模擬仿真的研究與實踐

李志強，向 卓，眭仁武

（衡陽師范學院 物理與電子工程學院，湖南 衡陽 421002）

“單片機應用技術”是一門邏輯性較強的實踐課程，核心內容是單片機應用程序的設計[1]。學生在初學程序設計的過程中常受到語法錯誤和邏輯錯誤的困擾，語法錯誤可根據編譯器的編譯提示進行修改，而邏輯錯誤需由程序設計者通過編程調試來糾正[2-3]。因此，積極探索“單片機應用程序設計”的模擬仿真，可以加深學生對單片機程序運行過程和運行效果的理解，充分利用仿真技術的優勢，強化過程學習，提高“單片機應用技術”課程的教學質量和教學效果。本研究將從模擬仿真內容、模擬仿真實踐和仿真結果3個方面進行闡述。

1 研究模擬仿真內容

近年來，單片機應用程序設計大多采用德國Keil 51單片機集成開發環境。初次運用Keil進行程序設計時，設計者并不太清楚程序在單片機內部的運行原理，很可能達不到預期目標，需通過仿真過程對設計程序的邏輯錯誤進行分析、調試和糾正。該仿真過程可通過硬件仿真器的“實時”在線仿真和軟件的模擬仿真實現。采用硬件“實時”在線仿真可以真實地呈現單片機應用程序的實時運行狀況，方便觀察運行結果，并及時解決相關問題，但實驗設備價格較高。采用軟件模擬仿真，僅需在PC機的仿真軟件上設置相應的條件，來模擬單片機實際運行的條件，進而觀察程序的運行狀況，方便簡易的軟件模擬仿真，更適合學生入門階段的程序學習。

初學單片機時，編寫的第一個單片機應用程序常為點亮發光二極管，若通過模擬仿真讓初學者觀察單片機輸入/輸出（Input/Output，I/O）端口上的高低電平變化情況，可以幫助學生更好地理解單片機程序的運行過程。當單片機程序運行時，若需獲取外部狀態，在Keil集成開發環境下讀取I/O端口外部輸入電平，讀入的電平值均為高電平，顯然讀入結果不準確[4]。為了讓單片機程序運行時獲取真實的外部狀態條件，可通過模擬設置外部條件來實現。Keil 51集成開發環境的模擬器能模擬51單片機內部特性和外部設備（I/O口、中斷、串行、定時等）的運行情況。采用Keil 51集成開發環境模擬器調試單片機程序既方便又能排除硬件錯誤，在單片機程序模擬仿真時，可以設置斷點、單步、全速、進入某個程序的內部運行來查看變量的變化過程、I/O端口電平狀態變化、代碼執行時間等信息。

2 模擬仿真實踐

單片機應用程序模擬仿真實踐主要從單片機I/O端口輸出和輸入、代碼執行時間、中斷響應、串口通信等方面開展。

2.1 I/O端口輸出

點亮發光二極管是通過程序來控制單片機I/O端口，打開I/O端口，查看I/O端口運行情況，圖1（a）為P1口的第0位，為高電平；程序運行后為低電平，如圖1（b）所示。

2.2 代碼執行時間

單片機程序從啟動到圖2（a）光標處用時為194.50 μs，當程序執行完兩個for循環到圖2（b）光標處時，總用時為639.00 μs，也就是說，單片機在執行完兩個for循環時，相應的程序代碼執行時間為444.50（639.00－194.50）μs。

2.3 I/O端口輸入

當單片機程序運行需要讀取單片機外部數據時，例如按鍵輸入程序，Keil軟件的調試工具沒有與硬件相連，就無法準確獲取單片機I/O端口引腳電平，但可通過模擬仿真設置來實現。打開按鍵輸入P3端口調試，當未設置相應端口引腳電平狀態時，程序無法執行有鍵按下的語句，其運行界面如圖3（a）所示；當設置了相應端口引腳電平為低電平時，程序即可執行有鍵按下的語句，如圖3（b）所示。

圖1 I/O端口輸出模擬仿真效果

圖2 代碼執行時間模擬仿真效果

圖3 I/O端口輸入模擬仿真效果

2.4 中斷響應

在keil集成環境下的中斷請求，在采用定時中斷實現定時需求時，其定時中斷服務程序的調試可通過設置斷點或將程序執行到光標處來進行調試，先看能否進入其中斷服務程序，還未執行中斷服務程序如圖4（a）所示；若能進入，再查看進入中斷服務程序時的時間，如圖4（b）所示。

圖4 中斷響應模擬仿真效果

2.5 串口通信

串口通信程序包括串口發送程序和串口接收程序。串口發送程序的模擬仿真可以通過觀察串行通信調試窗口，如在執行“while（!TI）；”將會一直等待，直到TI變為1時才可繼續執行，在串行窗口中的SBUF中看到發送的字符為0xAA，其仿真運行效果如圖5（a）所示；串口接收程序模擬仿真可在串行窗口中輸入相應的字符0X55，該字符可傳遞到中央處理器（Central Processing Unit，CPU）中，但不會顯示，其仿真運行效果如圖5（b）所示。

圖5 串口通信模擬仿真效果

3 結語

基于keil集成開發環境模擬仿真單片機運行情況開展的教學實踐活動，能幫助學生更好地理解單片機程序的運行過程。衡陽師范學院2015—2018級電子信息工程專業的教學實踐表明，該教學實踐活動不僅幫助學生克服了程序設計過程的畏難情緒，還提高了學生程序設計的查錯糾錯能力，較好地完成了單片機相關課程的教學目標。