一種基于仿真技術(shù)的單片機實訓(xùn)教學(xué)裝置

彭亮

【摘 要】針對單片機實訓(xùn)教學(xué)存在的模塊擴展困難、不能模擬復(fù)雜控制對象、實訓(xùn)設(shè)備容易損壞維護困難等問題，文章提出了一種基于仿真技術(shù)的新型單片機實訓(xùn)教學(xué)裝置，該實訓(xùn)教學(xué)裝置能模擬復(fù)雜工作場景，具備使用方便、擴展性強、使用損耗小、維護容易等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】單片機；仿真；實訓(xùn)教學(xué)；Adobe AIR

中圖分類號： G642；TP368.1-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0180-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.080

A Single-chip Computer Practical Training and Teaching Equipment Based on Simulation Technology

PENG Liang

（Wuhan Railway Vocational College of Technology， Hubei Wuhan 430205， China）

【Abstract】In order to solve the problems during the single-chip computer practical training and teaching， such as the training teaching equipment is difficult to expand， cannot simulate complex control objects and tend to be damaged and hardly maintained. New practical training teaching equipment based on the simulation technology is proposed in this paper. The practical training teaching equipment can simulate the complex work scene， and it has many advantages： easy to use， easy to expand， small use loss， easy to maintain and so on.

【Key words】Single-chip computer；Simulation；Training teaching；Adobe AIR

0 引言

目前單片機實訓(xùn)教學(xué)通常采用兩種方式。

第一種是采用單片機實驗箱進行實訓(xùn)。這種實訓(xùn)方式的優(yōu)點是：操作貼近實際工作過程，控制對象模塊化、節(jié)省實訓(xùn)時間，缺點是：模塊數(shù)量有限，擴展困難；使用損耗大，維護困難；不能模擬復(fù)雜控制對象。

另外一種實訓(xùn)方式是采用Protues仿真軟件進行實訓(xùn)。這種實訓(xùn)方式的優(yōu)點是：虛擬元件自由搭配、擴展性強；仿真操作，使用過程沒有損耗。缺點有：純軟件操作，與實際工作流程區(qū)別大，同樣也不能模擬較復(fù)雜的工作場景。

針對這兩種實訓(xùn)教學(xué)方式的不足，本文介紹一種基于仿真技術(shù)的單片機實訓(xùn)教學(xué)裝置。利用這種裝置開展實訓(xùn)，能展示復(fù)雜的工作場景，并且采用實物單片機進行控制，具有以上教學(xué)方式的優(yōu)點，也避免了它們的缺點。

1 系統(tǒng)方案

基于仿真技術(shù)的單片機實訓(xùn)教學(xué)裝置包含單片機、仿真器和仿真實訓(xùn)模塊三個部分。系統(tǒng)基本工作原理如下：

（1）單片機運行著控制程序，通過輸入輸出端子控制仿真模塊中的虛擬對象。

（2）仿真器是單片機和仿真軟件之間的一道橋梁，使得單片機能夠?qū)μ摂M對象進行控制。

（3）仿真實訓(xùn)模塊采用生動的動畫效果，模擬實際工作場景，接受單片機程序控制。

2 仿真器設(shè)計

仿真器采用STC89C52單片機系統(tǒng)板作為控制器，對外提供8個數(shù)字量輸入和8個數(shù)字量輸出端子。運行過程中，仿真器不斷采集外部單片機程序產(chǎn)生的控制信號，通過串行口轉(zhuǎn)發(fā)送給仿真實訓(xùn)模塊，同時接收實訓(xùn)模塊的輸出信號轉(zhuǎn)發(fā)給單片機。

3 仿真實訓(xùn)模塊設(shè)計

系統(tǒng)仿真軟件采用Adobe AIR構(gòu)建，Adode AIR是Adobe公司開發(fā)的基于Flash動畫技術(shù)的跨平臺應(yīng)用解決方案，通過Animate動畫軟件可以輕松制作出具有豐富互動效果的應(yīng)用并打包為AIR格式發(fā)布到主流平臺。

3.1 通訊功能實現(xiàn)

仿真實訓(xùn)模塊運行過程中通過電腦串行口與仿真器進行通訊，但是Adobe AIR本身沒有提供串行口的訪問功能。為了簡化程序設(shè)計，仿真實訓(xùn)模塊利用serproxy工具將電腦串行口映射為本地TCP端口，實現(xiàn)與仿真器的通訊。

serproxy是一款免費串口轉(zhuǎn)TCP工具，在運行仿真軟件前，首先要運行它。serproxy會根據(jù)配置文件監(jiān)聽處理TCP連接請求。

配置文件中的default settings部分為打開串行口的參數(shù)：（1）comm_baud為波特率；（2）comm_databits為數(shù)據(jù)位位數(shù)；（3）comm_stopbits為停止位位數(shù)；（4）comm_parity為奇偶表示，none表示不進行奇偶校驗。

timeout為TCP端口超時時間，以秒為單位，如果超過這個時間沒有接收到來自TCP端口的任何數(shù)據(jù)，serproxy會斷開連接，并關(guān)閉對應(yīng)串行口。

ports setting部分為串口與TCP端口映射關(guān)系設(shè)定，net_port#里的數(shù)字為串口號，等號后面的數(shù)字表示該串口對應(yīng)的TCP端口。

當(dāng)監(jiān)聽到來自配置文件中所包含的某個TCP端口的連接請求時，serporxy會按照設(shè)定參數(shù)打開對應(yīng)串行口，并在串行口和TCP端口之間進行相互數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過這種方式，仿真軟件只需要連接串行口對應(yīng)的TCP端口就能實現(xiàn)和仿真器的相互通訊，從而減小了編程難度。

3.2 實訓(xùn)模塊結(jié)構(gòu)

不同的實訓(xùn)模塊所呈現(xiàn)的模擬場景是不一樣的，但底層代碼的結(jié)構(gòu)基本相同，主要包含三個組成部分：

（1）通訊部分：通訊部分負責(zé)實訓(xùn)模塊與仿真器的通訊，用于接收由仿真器所采集的單片機程序控制信號，同時將虛擬控制對象的狀態(tài)通過仿真器傳遞給單片機。

（2）數(shù)據(jù)庫部分：數(shù)據(jù)庫部分作為一個抽象層，將虛擬控制對象的畫面呈現(xiàn)和狀態(tài)分離開來，這種設(shè)計降低軟件各個部分耦合程度，加快了模塊開發(fā)速度。

（3）畫面呈現(xiàn)部分：畫面呈現(xiàn)部分利用了動畫技術(shù)的優(yōu)勢，能夠活靈活現(xiàn)的呈現(xiàn)各種復(fù)雜的工作場景。

3.3 水塔水位控制實訓(xùn)模塊

接下來以水塔水位控制實訓(xùn)模塊為例，介紹模塊運行機制。

水塔水位控制實訓(xùn)模塊模擬了一個水塔水位系統(tǒng)，包含若干控制對象：

（1）儲水罐，用來表示水位高低，對應(yīng)數(shù)據(jù)變量water_level，變量類型為Number；

（2）進水電磁閥，用來控制進水管，對應(yīng)數(shù)據(jù)變量inlet_valve，變量類型為Boolean，對應(yīng)仿真器端子Y0；

（3）高水位傳感器，用來檢測水位過高，對應(yīng)數(shù)據(jù)變量high_level，變量類型為Boolean，對應(yīng)仿真器端子X1；

（4）低水位傳感器，用來檢測水位過低，對應(yīng)數(shù)據(jù)變量low_level，變量類型為Boolean，對應(yīng)仿真器端子X0；

實訓(xùn)模塊通過通訊部分來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫變量和單片機控制信號的同步，例如：單片機通過P1.0引腳向仿真器的Y0端子發(fā)送低電平，經(jīng)仿真器采集通過串行口傳送給電腦，再由serproxy轉(zhuǎn)發(fā)至TCP端口，從而被連接到TCP端口上的實訓(xùn)模塊所接收并存儲到變量inlet_valve中。

實訓(xùn)模塊的數(shù)據(jù)庫變量和虛擬控制對象的狀態(tài)是相互綁定的，例如：inlet_valve變量對應(yīng)的控制對象為電磁閥，當(dāng)單片機發(fā)送的低電平被接收存儲到數(shù)據(jù)庫中后，電磁閥的狀態(tài)會自動進行更新，由紅色變?yōu)榫G色，表示電磁閥已經(jīng)打開。

實訓(xùn)模塊通過以上機制來實現(xiàn)單片機控制信號和虛擬控制對象相互影響。當(dāng)單片機程序產(chǎn)生的控制信號變化時，虛擬控制對象的狀態(tài)會及時發(fā)生改變。與之相應(yīng)，當(dāng)虛擬控制對象的狀態(tài)發(fā)生變化時，單片機程序也會立即做出反應(yīng)。

4 總結(jié)

本文介紹的基于仿真技術(shù)的單片機實訓(xùn)教學(xué)裝置，采用基于Flash動畫技術(shù)構(gòu)建的實訓(xùn)模塊來模擬工作場景中的控制對象，并利用仿真器作為中間橋梁，連接運行控制程序的單片機，使得學(xué)生能夠?qū)崟r直觀的觀察程序運行效果，是一種實用的實訓(xùn)教學(xué)裝置。

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