丁坤 傅雯 史中權(quán)

摘要：研制了一種單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電腦、仿真器、示波器、實(shí)驗(yàn)板等主要部件構(gòu)成。自主研制了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件——實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)板由多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，可以滿足單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。同時(shí)根據(jù)課程要求設(shè)計(jì)了12個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)板上的各模塊間可以自主設(shè)計(jì)接線，具有較高的靈活性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)板

作者簡(jiǎn)介：丁坤（1975-），男，福建泉州人，河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，副教授；傅雯（1964-），女，浙江衢州人，河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。（江蘇 常州 213022）

基金項(xiàng)目：本文系2013年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號(hào)：2013JSJG121）、江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題（批準(zhǔn)號(hào)：2013/01/011）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0127-02

單片機(jī)課程是高等院校電氣、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、機(jī)電控制等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。由于該課程是一門理論性、邏輯性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，為了得到更好的教學(xué)效果，我國(guó)各高校都針對(duì)該課程開(kāi)展了課程優(yōu)化和教學(xué)改革，并取得了一定的成績(jī)。[1-3]

單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是該課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)不僅可以讓學(xué)生把在課堂上學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，而且可以提高學(xué)生對(duì)各類電路的認(rèn)知能力、設(shè)計(jì)能力以及動(dòng)手能力。針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，有些高校開(kāi)發(fā)研制了適合本校要求的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。[4-6]本文針對(duì)河海大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)要求，研制了一種可滿足單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)要求的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

一、課程設(shè)置基本情況

河海大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的單片機(jī)課程教學(xué)以MCS-51系列單片機(jī)為授課內(nèi)容，分為“微機(jī)原理及應(yīng)用”和“接口技術(shù)”兩門課程?！拔C(jī)原理及應(yīng)用”課程的總學(xué)時(shí)數(shù)為48學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)8學(xué)時(shí)。課程的主要內(nèi)容包含單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路、MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)方法、MCS-51系列單片機(jī)的功能模塊及其應(yīng)用?！敖涌诩夹g(shù)”課程的總學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)6學(xué)時(shí)。課程的主要內(nèi)容包含：MCS-51系列單片機(jī)并行擴(kuò)展原理、MCS-51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、MCS-51系列單片機(jī)并行接口的擴(kuò)展、鍵盤顯示接口、A/D和D/A的基本原理和擴(kuò)展方法、串行通信技術(shù)。所要研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需能滿足上述兩門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電腦、仿真器、示波器、實(shí)驗(yàn)板等主要部件構(gòu)成。系統(tǒng)中電腦用于安裝仿真實(shí)驗(yàn)軟件。示波器主要用于觀察D/A實(shí)驗(yàn)輸出的電壓波形。仿真器采用南京萬(wàn)利SE系列仿真器，該仿真器采用Client/Server結(jié)構(gòu)，無(wú)跳線、無(wú)按鍵、無(wú)開(kāi)關(guān)，所有硬件配置和運(yùn)行控制全由MedWin軟件調(diào)試器設(shè)置，可以完全仿真常見(jiàn)MCS-51系列單片機(jī)。配套的MedWin軟件集編輯、編譯/匯編、在線模擬調(diào)試于一體，VC風(fēng)格的用戶界面，完全支持Franklin/Keil C擴(kuò)展OMF格式文件，支持所有變量類型及表達(dá)式。

實(shí)驗(yàn)板是本單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，其設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了課程教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)、學(xué)生認(rèn)知能力訓(xùn)練等方面的需求。本文所說(shuō)實(shí)驗(yàn)板完全自主研制。

三、實(shí)驗(yàn)板研制

圖2是實(shí)驗(yàn)板功能模塊實(shí)際分布的示意框圖。如圖2所示，該單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)板具備以下幾個(gè)功能模塊：

1.核心模塊

核心模塊由插入仿真頭的插座、74LS373、6264（RAM），以及引出引線的插孔構(gòu)成。核心模塊用于模擬MCS-51系列的單片機(jī)，構(gòu)成用于實(shí)驗(yàn)的并行口、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，并且提供了8K的外部數(shù)據(jù)存貯器以做實(shí)驗(yàn)。

2.A/D模塊

A/D模塊由ADC0809和一個(gè)頻率為500K的時(shí)鐘電路構(gòu)成。其中，ADC0809的通道選通信號(hào)、模擬輸入端口、控制信號(hào)全部引出到引線的插孔，可供A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)自由使用。

3.D/A模塊

D/A模塊由DAC0832和運(yùn)放電路構(gòu)成。其中，DAC0832的控制信號(hào)和經(jīng)運(yùn)放電路處理后的D/A輸出信號(hào)引出到引線的插孔，可供D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)自由使用。在該實(shí)驗(yàn)時(shí)需要通過(guò)示波器觀察D/A輸出的電壓波形。

4.譯碼模塊

譯碼模塊由74LS138構(gòu)成，74LS138的3個(gè)輸入端和8個(gè)輸出端引出到引線的插孔，可供實(shí)驗(yàn)自由使用。

5.串行模塊

串行模塊由74LS164和RS232電平轉(zhuǎn)換器MAX232兩個(gè)主要芯片構(gòu)成。74LS164可以做串行口方式0應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，RS232電平轉(zhuǎn)換器可以做串行通信實(shí)驗(yàn)。74LS164的輸入控制盒輸出端口以及MAX232的TTL端口和RS232端口被引出到引線的插孔。

6.并行口模塊

并行口模塊由8155為主構(gòu)成。8155的控制總線、I/O口和計(jì)數(shù)器引腳被引出到引線的插孔。該模塊可以做關(guān)于8155的各種實(shí)驗(yàn)。

7.指示燈模塊

指示燈模塊由8個(gè)LED發(fā)光二極管構(gòu)成，每個(gè)LED的陰極被引出到引線的插孔。該模塊可以做指示燈輸出相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

8.數(shù)碼管模塊

數(shù)碼管模塊由4個(gè)8位數(shù)碼管及其驅(qū)動(dòng)電路組成。可以做動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)。其中每個(gè)數(shù)碼管的公共端和每個(gè)段控制位被引出到引線的插孔。

9.鍵盤模塊

鍵盤模塊由一個(gè)4×4的小鍵盤構(gòu)成。鍵盤的4位行控制信號(hào)和4位列控制信號(hào)被引出到引線的插孔?？梢宰鲂辛惺芥I盤實(shí)驗(yàn)。

10.模擬輸入模塊

模擬輸入模塊由2個(gè)電位器構(gòu)成，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到不同的電壓值。其中，電位器的中間抽頭被引出到引線的插孔。

11.數(shù)字輸入模塊

數(shù)字輸入模塊由兩個(gè)8位的DIP開(kāi)關(guān)組成，既可作為16位的數(shù)字量的輸入，又可作為單個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入以做控制之用。每個(gè)DIP開(kāi)關(guān)的輸出都被引出到引線的插孔。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)模塊的接線都需要學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)接線并動(dòng)手通過(guò)各個(gè)模塊引線的插孔進(jìn)行接線，可以充分鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)研制的實(shí)驗(yàn)板和“微機(jī)原理及應(yīng)用”、“接口技術(shù)”兩門課程的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了12個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中7個(gè)“微機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)和5個(gè)“接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)。“微機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)包括4個(gè)純軟件實(shí)驗(yàn)和3個(gè)與硬件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)——并行口實(shí)驗(yàn)、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)?！敖涌诩夹g(shù)”課程實(shí)驗(yàn)都是硬件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)——并行口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、串行口方式0應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、雙機(jī)通訊實(shí)驗(yàn)。

安排軟件實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓學(xué)生掌握仿真軟件的使用，熟悉所學(xué)的匯編指令，并且練習(xí)程序的編輯、匯編和調(diào)試及運(yùn)行。

安排硬件實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓學(xué)生掌握上課所學(xué)的MCS-51系列單片機(jī)相關(guān)硬件知識(shí)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用強(qiáng)化理解硬件和軟件的相結(jié)合。以并行口實(shí)驗(yàn)為例，本實(shí)驗(yàn)利用MCS-51單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)板的核心模塊（CPU）、指示燈模塊和數(shù)字輸入模塊。核心模塊中有MCS-51單片機(jī)的P0、P1、P2、P3的引出引腳供接線使用。指示燈模塊有8個(gè)LED，這8個(gè)LED分別由8個(gè)引腳控制，當(dāng)引腳為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的LED亮。數(shù)字輸入模塊由兩個(gè)8位的DIP開(kāi)關(guān)組成，既可作為16位的數(shù)字量的輸入，又可作為單個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入以做控制之用，當(dāng)DIP開(kāi)關(guān)在OFF狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的引腳輸出高電平，當(dāng)DIP開(kāi)關(guān)在ON狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的引腳輸出低電平。

實(shí)驗(yàn)要求如下：

第一，利用軟件延時(shí)的方法使指示燈模塊中的LED按如圖3規(guī)律亮滅（間隔時(shí)間為500ms，當(dāng)某個(gè)LED亮?xí)r其他的LED全滅）。

可將核心模塊中P1口通過(guò)引腳與指示燈模塊的4個(gè)LED控制引腳對(duì)應(yīng)相接，然后通過(guò)編程控制P1口的狀態(tài)變化即可實(shí)現(xiàn)控制要求。

第二，用P1.0～P1.3口控制指示燈模塊中某4個(gè)LED的亮滅，用P1.4～P1.7口讀取數(shù)字輸入模塊中某4位的DIP開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，使得DIP開(kāi)關(guān)的狀態(tài)與被P1.0～P1.3口控制的LED的亮滅狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。要求：當(dāng)DIP開(kāi)關(guān)處于OFF狀態(tài)時(shí)其讀入引腳所對(duì)應(yīng)引腳控制的LED滅，當(dāng)DIP開(kāi)關(guān)處于ON狀態(tài)時(shí)其讀入引腳所對(duì)應(yīng)引腳控制的LED亮。分別使用位操作和字節(jié)操作的方法編程。

對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：P1.0與P1.4對(duì)應(yīng)、P1.1與P1.5對(duì)應(yīng)、P1.2與P1.6對(duì)應(yīng)、P1.3與P1.7對(duì)應(yīng)。

將核心模塊中P1.0～P1.3口通過(guò)引腳與指示燈模塊的前4個(gè)LED控制引腳對(duì)應(yīng)相接，將核心模塊中的P1.4～P1.5口通過(guò)引腳與數(shù)字輸入模塊中某4位的DIP開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的引腳相接。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生要根據(jù)要求接好實(shí)驗(yàn)板的接線，并編寫程序、調(diào)試試驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更進(jìn)一步熟悉MCS—51系列單片機(jī)并行口等知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容。

五、使用效果

本文研制的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在河海大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)已投入使用多年，效果良好，尤其是自行研制的實(shí)驗(yàn)板可以由學(xué)生自主接線，提高了學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力。但是也存在著一些缺點(diǎn)，如：實(shí)驗(yàn)板上的插孔在使用一段時(shí)間后由于失去彈性需要更換；學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的誤接線、誤操作會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)板上的芯片，這些方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王芳，花懷海.單片機(jī)課程教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].電子世界，

2013，（3）.

[2]韓翠娥，郭清晨.單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013，（7）.

[3]金紅，蔣存波.單片機(jī)課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（2）.

[4]石愛(ài)平，杜玉杰.高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（1）.

[5]包建華，張興奎，丁啟勝.模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（6）.

[6]楊風(fēng)開(kāi)，徐慧平.開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].中國(guó)電力教育，2012，（27）.

（責(zé)任編輯：孫晴）