顧菊芬

摘 要： 采用單片機IAP15W4K58S4研制了一套易于攜帶、方便使用、易于調(diào)試的在線可仿真的單片機教學開發(fā)板，可以實時聯(lián)調(diào)Keil和開發(fā)板，通過單步、斷點、觀察變量等方式，親眼見證單片機程序和硬件現(xiàn)象的同步過程，有助于學生更加直觀、更加深刻地理解單片機程序控制的作用，起到了較好的學習效果。

關鍵詞： 單片機； 教學平臺； 可仿真； 同步

中圖分類號： TP 368 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）05-0091-04

1 問題提出

在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的物聯(lián)時代，電子產(chǎn)品和工業(yè)設備的智能化是必然趨勢。單片機是產(chǎn)品智能化的靈魂，起著控制、驅(qū)動的核心功能，因此現(xiàn)代企業(yè)迫切需要掌握單片機開發(fā)和應用能力的專業(yè)技術人才[1]。單片機課程應用性和實踐性非常強，科學合理的教學方式和教學平臺對于調(diào)動學生學習積極性、提高學習效率，顯得尤為重要[2][5]。我院單片機課程組較早就開始采用自制開發(fā)板的教學改革，保證每個學生一套開發(fā)板，學生通過在系統(tǒng)編程方式直接寫片、下載程序，大大調(diào)動了學生學習單片機的積極性。

但在系統(tǒng)直接寫片過程中，學生只能直接“寫片”驗證程序是否成功，不能通過斷點、單步等方式觀察程序的運行狀態(tài)和開發(fā)板現(xiàn)象的同步，進行程序的查錯與糾錯，學習效率較低，理解單片機程序運行、變量變化有較大的難度。程序效果有時候即使出來了，還處于似懂非懂的狀態(tài)，離獨立完成項目開發(fā)的目標要求還有較大的距離。

課程組教師從“以學生為中心”的角度出發(fā)、與時俱進，開發(fā)了基于IAP15W4K58S4可仿真單片機的教學用開發(fā)板。在進行合理配置后，IAP15W4K58S4單片機就可以實現(xiàn)硬件仿真器的功能，無需購買昂貴的在線仿真設備就可以實現(xiàn)跟蹤程序狀態(tài)的功能，降低了學習難度、提高了學習效率，取得了良好的教學效果。

2 項目開發(fā)平臺總體設計

課程教學開發(fā)板主控芯片選型IAP15W4K58S4，該芯片資源豐富，同時設計的開發(fā)板又板載了豐富的擴展資源，采用便捷的USB下載和仿真接口，方便同學輕松構建開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，高效地進行單片機的學習和研究，下面簡單介紹一下自制的單片機教學平臺的總體設計。

主控芯片IAP15W4K58S4是宏晶公司當前主推的STC15系列單片機，在藍橋杯“單片機設計與開發(fā)”和高職高專技能競賽賽項“電子產(chǎn)品設計與制作”的省賽和國賽中都采用了IAP15的型號，這對于選拔學生參加各類電子競賽有較好的幫助。IAP15W4K58S4程序空間58KB，SRAM空間4KB，8個定時器，4個硬件串口（UART1，UART2，UART3，UART4），有SPI（可用作主模式/從模式），有2路PCA/PWM/CCP（可用作DAC），有8通道10位精度的A/D，有6通道增強型帶死區(qū)控制PWM波形發(fā)生器，具有全部Flash空間的IAP功能，是一款具有豐富擴展資源的增強型8051芯片。

IAP可仿真單片機教學開發(fā)板尺寸10cm×15cm，大部分器件采用表貼封裝，方便攜帶。開發(fā)板板載資源豐富，系統(tǒng)平臺總體框圖如圖1所示。

板載資源主要包括CH340G芯片USB轉(zhuǎn)串口、ISP接口器件DS1302、1308紅外接收、IIC器件LM75、鍵盤、繼電器、蜂鳴器、液晶接口，各模塊和主控制芯片之間通過短路帽實現(xiàn)連接和斷開，使用非常方便。每個學生手工焊接該開發(fā)板，整個過程對于學生元器件識別、手工焊接、SMT焊接、故障排查、電路檢修、單片機最小系統(tǒng)電路等進行全方面的考核，學生的興趣濃厚、成就感較強。開發(fā)板實物如圖2所示。

3 IAP仿真調(diào)試接口設計

基于閃存的微控制器的程序下載本質(zhì)上是采用串口實現(xiàn)的，IAP仿真調(diào)試接口本質(zhì)上就是串口，教學開發(fā)板采用CH340G芯片實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口實現(xiàn)USB下載代碼、串口通信和在線仿真等功能，實現(xiàn)串口、下載口、仿真口三合一。

CH340G芯片具備全速USB設備接口，兼容USB2.0，外圍元器件只需要簡單的晶振和電容，支持5 V電源電壓和3.3 V電源電壓。硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持常用的MODEM聯(lián)絡信號RTS，DTR，DCD，RI，DSR，CTS；通過外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供RS232，RS485，RS422等接口，支持通訊波特率50bps～2Mbps?；贑H340G的串口、下載口、仿真口電路如圖3所示。

值得一提的是，單片機串口線RXD加了D5肖特基二極管5817、TXD加了300？贅的電阻，以達到串口和USB防燒功能，起到保護作用。

4 IAP仿真調(diào)試的應用

寫過單片機控制程序的人都比較清楚，一個程序編寫調(diào)試過程中，定位錯誤根源是最困難也是最關鍵的步驟，是研究內(nèi)部數(shù)據(jù)和代碼、了解硬件和軟件的協(xié)同的關鍵環(huán)節(jié)，這一步驟和環(huán)節(jié)最重要的手段就是硬件仿真調(diào)試[3-4]。

宏晶科技公司開發(fā)的STC-isp6.85提供ISP在系統(tǒng)編程下載功能和Keil仿真功能，如果單片機是IAP15系列可以實現(xiàn)Keil仿真功能，完成在電路硬件調(diào)試。ISP在系統(tǒng)編程下載功能和Keil仿真功能都是通過單片機的串口對單片機內(nèi)部的Flash存儲體進行編程，所不同的是基于IAP的仿真技術是從結構體上將Flash存儲體映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個。Keil仿真功能是STC公司開發(fā)了一段上位機的代碼，作為一個菜單項集成在STC-isp6.85的軟件中，這一段代碼主要實現(xiàn)Keil軟件對單片機的監(jiān)控，可以通過在keil中設置斷點實現(xiàn)單步調(diào)試，本質(zhì)上是通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送?；贗AP15的可仿真單片機實現(xiàn)仿真調(diào)試的流程非常簡單好用，具體操作流程如圖4所示。

基于IAP15的可仿真單片機實現(xiàn)仿真調(diào)試的使用方法如下：首先必須安裝仿真驅(qū)動，可通過點擊此頁面中的"添加MCU型號到Keil中"按鈕進行安裝；將IAP15W4K58S4芯片設置為仿真目標芯片；將開發(fā)板的USB口和電腦的USB口進行連接；打開開發(fā)板電源；在Keil軟件中打開項目，并進行相關設置（參考STC Monitor51仿真器使用指南）；設置完成即可開始調(diào)試。

IAP15W4K58S4監(jiān)控程序使用資源：

Flash：6KB（D000H-E7FFH，用戶可用使用0000H-CFFFH的52K程序空間）

DATA：0B

IDATA：0B

XDATA：768B（0C00H-0EFFH，用戶可用使用0000H-0BFFH的3k擴展RAM）

Port：P3.0、P3.1

仿真器使用過程中，用戶不可訪問仿真系統(tǒng)區(qū)的0DC00-0F3FFH區(qū)域的6k代碼空間，不能修改0400H-06FFH區(qū)的768字節(jié)的XDATA，不能向P3.0口和P3.1口寫數(shù)據(jù)，不能使用與P3.0和P3.1相關的中斷和功能（包括INT4中斷、定時器2的時鐘輸出、定時器2的外部計數(shù)）；串口1可以切換到P3.6/P3.7或者P1.6/P1.7進行使用；若仿真源代碼為匯編程序，則第一條語句必須是長跳轉(zhuǎn)語句，不能使用JMP， SJMP， AJMP或其他語句。

以課程教學中的“電壓表的制作”項目為例，此任務主要用到板載的電位器電壓輸出至ADC通道，重點理解編程過程中ADC模塊結構的相關控制寄存器意義。將開發(fā)板設置成Keil仿真模式，進入Keil環(huán)境進入實時在電路仿真狀態(tài)，通過設置斷點，觀察寄存器ADC_RES，ADC_RESL，ADC_CONTR和實物狀態(tài)，眼見為實，更加深刻和直觀的理解相關寄存器和變量的意義。通過配置可以實現(xiàn)keil在線仿真調(diào)試開發(fā)板，同步觀察斷點處開發(fā)板的設備狀態(tài)和keil編譯器中編寫軟件的相關寄存器和變量的值，非常直觀和易于理解。電路硬件仿真調(diào)試流程如圖5所示。

實際調(diào)試中可以在keil編譯軟件設置20個斷點，正常調(diào)試完全夠用了。全速調(diào)試至斷點處可以查看寄存器和變量的值，同時觀察開發(fā)板的實際狀況，實現(xiàn)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，便于編程者厘清思路，定位問題根源。

5 結束語

基于IAP技術的單片機既可以作目標芯片，也可用作仿真芯片。利用STC-ISP編程軟件的設置工具將一段在線仿真監(jiān)控程序下載到IAP單片機中，IAP單片機就是1顆仿真芯片了，不需增加任何外圍電路，就相當于傳統(tǒng)的單片機硬件仿真器，可大大提高單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)效率。采用基于IAP在線仿真技術的單片機教學開發(fā)板可以實現(xiàn)Keil環(huán)境下硬件在應用仿真，通過單步、斷點、觀察變量等方式，親眼見證單片機程序和硬件現(xiàn)象的同步過程，對于單片機程序、存儲、變量的理解更加直觀、更加深刻，是高職高專單片機教學改革的方向。

參考文獻：

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Abstract： The single chip microcomputer is an applied and practical course，which requirements strong practical ability and analytical ability to design. Scientific and reasonable teaching platform and teaching methods are very important to mobilize the enthusiasm of students and improve learning efficiency. In this paper， a microcontroller IAP15W4K58S4 is developed， which is easy to carry， easy to use， easy to debug. Keil and development board can be adjusted in real time， through single step， break point， observation variable and so on， to witness the microcontroller program and the hardware phenomenon， the synchronization process， help students to more intuitive， more profound understanding of the SCM process control， to better learning results.

Keywords： single chip microcomputer； teaching platform， simulation； synchronization

（責任編輯：徐興華）