王冬星，王　健，馬英瑞，李　梓，李　娟

(大慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

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基于Proteus串行通信系統(tǒng)的教學(xué)研究與設(shè)計(jì)

王冬星，王健，馬英瑞，李梓，李娟

(大慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：單片機(jī)原理中串行通信理論知識(shí)的講解相對(duì)較難，為將其理論知識(shí)融于“做中學(xué)”，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有直觀認(rèn)識(shí)，研究與設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Proteus的串行通信教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在制作串行通信系統(tǒng)實(shí)物之前通過對(duì)仿真系統(tǒng)的調(diào)試，加深對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解，減少實(shí)驗(yàn)器材的消耗并避免一些危險(xiǎn)的產(chǎn)生?；诜抡姝h(huán)境教授單片機(jī)串行通信知識(shí)，使學(xué)生能達(dá)到所見即所學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，為相關(guān)教學(xué)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：Proteus；串行通信；單片機(jī)

0引言

2016年，物聯(lián)網(wǎng)將攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，被進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用，在未來十年內(nèi)會(huì)迎來其發(fā)展的高峰期，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才也會(huì)炙手可熱[1]。而眾多高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)均會(huì)開設(shè)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》之類的嵌入式課程，在此課程中對(duì)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試等能力進(jìn)行訓(xùn)練，使其能對(duì)理論與實(shí)踐進(jìn)行良好融合，快速地適應(yīng)企業(yè)崗位并對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有深刻認(rèn)識(shí)。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)是理論與實(shí)驗(yàn)相分離，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)說明書在實(shí)驗(yàn)箱上連接固定電路，下載相關(guān)程序、調(diào)試、運(yùn)行、觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由于已知元器件固定，學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)較少、自行創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容也較少，很難提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[2]；同時(shí)，學(xué)生在枯燥情況下會(huì)由于好奇心對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行破壞性操作，造成實(shí)驗(yàn)耗材的不必要損失，這種現(xiàn)象在講授單片機(jī)串行通信知識(shí)時(shí)會(huì)更加明顯一些。

Proteus由英國Labcenter electronic公司生產(chǎn)的一款電路分析與實(shí)物仿真軟件，是目前最好的模擬單片機(jī)等元器件運(yùn)行的仿真工具之一，對(duì)常見元器件，在硬件設(shè)計(jì)完成前通過Proteus進(jìn)行硬件仿真，可以大量節(jié)約開發(fā)周期[3]。Keil是編寫單片機(jī)程序的軟件開發(fā)環(huán)境，Proteus與Keil聯(lián)合使用，可以對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，既方便設(shè)計(jì)開發(fā)過程，又節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用；同時(shí)，基于Proteus仿真系統(tǒng)制作過程的教學(xué)演示，又引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了一步步深入的學(xué)習(xí)和思考，并讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)完善系統(tǒng)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果[4]。因此，本文以Proteus為硬件仿真工具、Keil為軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Proteus的串行通信系統(tǒng)，為著重講解單片機(jī)的通信理論、在仿真教學(xué)系統(tǒng)中忽略某些擴(kuò)展電子元器件的使用，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的通信教學(xué)演示系統(tǒng)的總體思想為：突出串行通信的使用，使上位機(jī)對(duì)信息進(jìn)行控制和處理，然后將處理結(jié)果通過串行通信發(fā)送給下位機(jī)，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)中，上位機(jī)通過矩陣鍵盤獲得鍵值，將鍵值進(jìn)行輸出，當(dāng)按下“串行通信開關(guān)后”，上位機(jī)將矩陣鍵盤獲得的鍵值傳送到下位機(jī)上，并在下位機(jī)上輸出顯示；按下“下位機(jī)顯示關(guān)閉”鍵，下位機(jī)輸出模塊不再顯示數(shù)值。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

串行通信是上位機(jī)與下位機(jī)聯(lián)系的通道，上位機(jī)通過此通道將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。每個(gè)單片機(jī)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(tǒng)中用LED數(shù)碼管顯示，主要用于顯示收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)。

1.2Proteus仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為方便講解單片機(jī)通信原理，用Proteus的ISIS環(huán)境繪制單片機(jī)串行通信原理圖，并加載程序調(diào)試運(yùn)行，給學(xué)生以直觀認(rèn)識(shí)，易于梳理學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明教學(xué)效果良好，其教學(xué)流程如圖2所示。

圖2　基于Proteus的教學(xué)流程圖

本系統(tǒng)的主要目的是讓學(xué)生掌握單片機(jī)通信原理與控制流程，因此在仿真系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)，為減少外圍電子器件對(duì)主要理論學(xué)習(xí)的影響而將外圍電子器件省略，在后期學(xué)習(xí)時(shí)再逐漸被講解和使用。根據(jù)2.1節(jié)介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Proteus的ISIS環(huán)境中繪制的仿真原理圖，如圖3所示，系統(tǒng)明顯地具有輸入、輸出、串行通信和按鍵控制4個(gè)功能模塊。

圖3　仿真效果圖

其中，上位機(jī)具有以下4個(gè)功能：

1.接收矩陣鍵盤的輸入，對(duì)其輸入的鍵值進(jìn)行辨別。

2.將矩陣鍵盤輸入的鍵值進(jìn)行輸出，在數(shù)碼管上顯示。

3.按鍵“串行通信開關(guān)”被按下，通過串行通信，將數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)。

4.按鍵“下位機(jī)顯示關(guān)閉”被按下，通過串行通信控制，控制關(guān)閉下位機(jī)數(shù)碼管、不顯示數(shù)據(jù)。

下位機(jī)具有以下2個(gè)功能：

1.通過串行通信，接收上位機(jī)發(fā)送到數(shù)據(jù)。

2.將串行通信接收的數(shù)據(jù)輸出，在數(shù)碼管上顯示；如果是按鍵“下位機(jī)顯示關(guān)閉”被按下，關(guān)閉其輸出模塊，即控制其數(shù)碼管不顯示數(shù)據(jù)。

1.3程序設(shè)計(jì)

在程序講解中重點(diǎn)要講解單片機(jī)串行通信的結(jié)構(gòu)、寄存器SCON的設(shè)置和單片機(jī)串行中斷的使用方式。這3個(gè)部分也是單片機(jī)串行通信的理論講解重點(diǎn)，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中也屬于偏難的知識(shí)點(diǎn)，因此先通過演示系統(tǒng)例程，讓學(xué)生有直觀認(rèn)識(shí)、然后讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)或更改例程來創(chuàng)作更好的系統(tǒng)。程序流程圖如圖4，注意上位機(jī)和下位機(jī)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(yīng)的單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)行。

圖4　程序設(shè)計(jì)流程圖

上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼

void Send(unsigned char data_send) {

SBUF=data_send;//發(fā)送緩沖區(qū)接收發(fā)送字符

while(TI==0) ; //緩沖區(qū)沒發(fā)完就等待

TI=0; //為了接收下一幀數(shù)據(jù)，需將TI清0

}

下位機(jī)接收數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼

unsigned char Receive(void){

unsigned char data_rev;

while(RI==0) ;//只要接收中斷標(biāo)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(shù)據(jù)，需將RI清0

data_rev=SBUF;//將接收緩沖器中的數(shù)據(jù)存于data_rev

return data_rev;

}

1.4擴(kuò)展設(shè)計(jì)

學(xué)生在掌握通信系統(tǒng)原理與編寫程序技巧后，應(yīng)能對(duì)上述通信系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，例如：

1.將上述系統(tǒng)改成雙機(jī)串行通信，2個(gè)單片機(jī)都能接收和發(fā)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(tǒng)。

3.自學(xué)外圍電子元器件，制作實(shí)物串行通信系統(tǒng)。

基于原有系統(tǒng)的擴(kuò)展訓(xùn)練，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，無疑是對(duì)他們創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個(gè)很好訓(xùn)練。

2結(jié)語

基于Proteus串行通信系統(tǒng)的教學(xué)演示和設(shè)計(jì)，縮短了平時(shí)通信原理知識(shí)的授課學(xué)時(shí)，通過所見即所得的仿真效果，加深了學(xué)生學(xué)習(xí)的印象，提高了教學(xué)效率。利用仿真環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，省去了實(shí)驗(yàn)器材的消耗，避免了一些危險(xiǎn)情況的產(chǎn)生，值得相關(guān)教學(xué)借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王乃國，朱香衛(wèi)．物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才需求及高職生的崗位分析[J]．中國職業(yè)技術(shù)教育，2014(31):76-79.

[2] 高慶華，王潔．基于Proteus的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18(5):119-121.

[3] 王冬星 許有軍．單片機(jī)技術(shù)及C51仿真與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2015.

[4] 吳小紅．基于Proteus軟件的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)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(jì)算機(jī)應(yīng)用和軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“地方本科院校轉(zhuǎn)型過程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐”;大慶師范學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JY1521)。

中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0063(2016)03-0033-03

收稿日期：2016-02-05

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