彭亮

【摘 要】針對(duì)單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的模塊擴(kuò)展困難、不能模擬復(fù)雜控制對(duì)象、實(shí)訓(xùn)設(shè)備容易損壞維護(hù)困難等問(wèn)題，文章提出了一種基于仿真技術(shù)的新型單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置，該實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置能模擬復(fù)雜工作場(chǎng)景，具備使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)、使用損耗小、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；仿真；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；Adobe AIR

中圖分類號(hào)： G642；TP368.1-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)通常采用兩種方式。

第一種是采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。這種實(shí)訓(xùn)方式的優(yōu)點(diǎn)是：操作貼近實(shí)際工作過(guò)程，控制對(duì)象模塊化、節(jié)省實(shí)訓(xùn)時(shí)間，缺點(diǎn)是：模塊數(shù)量有限，擴(kuò)展困難；使用損耗大，維護(hù)困難；不能模擬復(fù)雜控制對(duì)象。

另外一種實(shí)訓(xùn)方式是采用Protues仿真軟件進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。這種實(shí)訓(xùn)方式的優(yōu)點(diǎn)是：虛擬元件自由搭配、擴(kuò)展性強(qiáng)；仿真操作，使用過(guò)程沒(méi)有損耗。缺點(diǎn)有：純軟件操作，與實(shí)際工作流程區(qū)別大，同樣也不能模擬較復(fù)雜的工作場(chǎng)景。

針對(duì)這兩種實(shí)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(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置。利用這種裝置開展實(shí)訓(xùn)，能展示復(fù)雜的工作場(chǎng)景，并且采用實(shí)物單片機(jī)進(jìn)行控制，具有以上教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，也避免了它們的缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

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

（1）單片機(jī)運(yùn)行著控制程序，通過(guò)輸入輸出端子控制仿真模塊中的虛擬對(duì)象。

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

（3）仿真實(shí)訓(xùn)模塊采用生動(dòng)的動(dòng)畫效果，模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，接受單片機(jī)程序控制。

2 仿真器設(shè)計(jì)

仿真器采用STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)板作為控制器，對(duì)外提供8個(gè)數(shù)字量輸入和8個(gè)數(shù)字量輸出端子。運(yùn)行過(guò)程中，仿真器不斷采集外部單片機(jī)程序產(chǎn)生的控制信號(hào)，通過(guò)串行口轉(zhuǎn)發(fā)送給仿真實(shí)訓(xùn)模塊，同時(shí)接收實(shí)訓(xùn)模塊的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)。

3 仿真實(shí)訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)

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(dòng)畫技術(shù)的跨平臺(tái)應(yīng)用解決方案，通過(guò)Animate動(dòng)畫軟件可以輕松制作出具有豐富互動(dòng)效果的應(yīng)用并打包為AIR格式發(fā)布到主流平臺(tái)。

3.1 通訊功能實(shí)現(xiàn)

仿真實(shí)訓(xùn)模塊運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)電腦串行口與仿真器進(jìn)行通訊，但是Adobe AIR本身沒(méi)有提供串行口的訪問(wèn)功能。為了簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，仿真實(shí)訓(xùn)模塊利用serproxy工具將電腦串行口映射為本地TCP端口，實(shí)現(xiàn)與仿真器的通訊。

serproxy是一款免費(fèi)串口轉(zhuǎn)TCP工具，在運(yùn)行仿真軟件前，首先要運(yùn)行它。serproxy會(huì)根據(jù)配置文件監(jiān)聽處理TCP連接請(qǐng)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(jìn)行奇偶校驗(yàn)。

timeout為TCP端口超時(shí)時(shí)間，以秒為單位，如果超過(guò)這個(gè)時(shí)間沒(méi)有接收到來(lái)自TCP端口的任何數(shù)據(jù)，serproxy會(huì)斷開連接，并關(guān)閉對(duì)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(hào)，等號(hào)后面的數(shù)字表示該串口對(duì)應(yīng)的TCP端口。

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

3.2 實(shí)訓(xùn)模塊結(jié)構(gòu)

不同的實(shí)訓(xùn)模塊所呈現(xiàn)的模擬場(chǎng)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(gè)組成部分：

（1）通訊部分：通訊部分負(fù)責(zé)實(shí)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(jī)程序控制信號(hào)，同時(shí)將虛擬控制對(duì)象的狀態(tài)通過(guò)仿真器傳遞給單片機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)部分：數(shù)據(jù)庫(kù)部分作為一個(gè)抽象層，將虛擬控制對(duì)象的畫面呈現(xiàn)和狀態(tài)分離開來(lái)，這種設(shè)計(jì)降低軟件各個(gè)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(dòng)畫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠活靈活現(xiàn)的呈現(xiàn)各種復(fù)雜的工作場(chǎng)景。

3.3 水塔水位控制實(shí)訓(xùn)模塊

接下來(lái)以水塔水位控制實(shí)訓(xùn)模塊為例，介紹模塊運(yùn)行機(jī)制。

水塔水位控制實(shí)訓(xùn)模塊模擬了一個(gè)水塔水位系統(tǒng)，包含若干控制對(duì)象：

（1）儲(chǔ)水罐，用來(lái)表示水位高低，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量water_level，變量類型為Number；

（2）進(jìn)水電磁閥，用來(lái)控制進(jìn)水管，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量inlet_valve，變量類型為Boolean，對(duì)應(yīng)仿真器端子Y0；

（3）高水位傳感器，用來(lái)檢測(cè)水位過(guò)高，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量high_level，變量類型為Boolean，對(duì)應(yīng)仿真器端子X(jué)1；

（4）低水位傳感器，用來(lái)檢測(cè)水位過(guò)低，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量low_level，變量類型為Boolean，對(duì)應(yīng)仿真器端子X(jué)0；

實(shí)訓(xùn)模塊通過(guò)通訊部分來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)變量和單片機(jī)控制信號(hào)的同步，例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)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(guò)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(shí)訓(xùn)模塊所接收并存儲(chǔ)到變量inlet_valve中。

實(shí)訓(xùn)模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)變量和虛擬控制對(duì)象的狀態(tài)是相互綁定的，例如：inlet_valve變量對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象為電磁閥，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送的低電平被接收存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中后，電磁閥的狀態(tài)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新，由紅色變?yōu)榫G色，表示電磁閥已經(jīng)打開。

實(shí)訓(xùn)模塊通過(guò)以上機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制信號(hào)和虛擬控制對(duì)象相互影響。當(dāng)單片機(jī)程序產(chǎn)生的控制信號(hào)變化時(shí)，虛擬控制對(duì)象的狀態(tài)會(huì)及時(shí)發(fā)生改變。與之相應(yīng)，當(dāng)虛擬控制對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)程序也會(huì)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(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置，采用基于Flash動(dòng)畫技術(shù)構(gòu)建的實(shí)訓(xùn)模塊來(lái)模擬工作場(chǎng)景中的控制對(duì)象，并利用仿真器作為中間橋梁，連接運(yùn)行控制程序的單片機(jī)，使得學(xué)生能夠?qū)崟r(shí)直觀的觀察程序運(yùn)行效果，是一種實(shí)用的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置。

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