施志榮

[摘 要]課題組針對高職院校單片機應用技術課程在實踐教學方式、實訓設備維護等方面存在的問題，提出了將MCGS組態(tài)軟件與單片機最小系統(tǒng)板相結合的教學模式。教學實踐表明，將MCGS組態(tài)軟件引入單片機應用技術課程的教學節(jié)約了實訓設備的硬件成本，提高了實訓課程的教學效果。

[關鍵詞]單片機應用技術;MCGS組態(tài)軟件;Modbus-RTU協(xié)議;實踐教學

[中圖分類號] G642。3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）01-0083-03

單片機應用技術是高職院校電氣自動化技術專業(yè)的一門重要的職業(yè)核心課程，是學生掌握智能儀器設計理論和技術的基礎，具有很強的實踐性[1]。對于職業(yè)院校相關專業(yè)的學生而言，掌握好單片機應用技術這門課程是非常必要的，不僅能把所學的專業(yè)基礎課理論知識運用到實踐中，而且對今后的就業(yè)也是非常有幫助的。鑒于單片機應用技術的重要性和實踐性，其實訓教學環(huán)節(jié)就更是重中之重了。

一、單片機應用技術實踐教學的現(xiàn)狀

早期的單片機應用技術的實踐教學通常依靠單片機實訓箱完成。其實踐教學內容主要包含兩個方面：課內實訓和課程設計。在傳統(tǒng)的實訓教學中，教師根據(jù)實訓指導書的要求在規(guī)定的時間內指導學生完成相應的實訓項目。任課教師向學生講解實訓目標和實訓任務，學生根據(jù)實訓要求搭建實訓電路、編寫程序、調試運行并驗證實訓結果[2]。在此過程中，由于實訓教學活動主要依靠硬件設備完成，導致實訓教學環(huán)節(jié)不可避免地存在著一些問題。首先，實訓任務的主要硬件電路已經在實訓箱內部焊接完成，學生無法針對實訓內容和要求靈活地進行硬件設計。其次，實訓箱生產廠家提供的硬件資料往往不完全透明，當實訓過程出現(xiàn)偏差時，學生經常無法獨立查找出故障原因。再次，實訓箱的硬件電路固定，能完成的實訓內容也相對有限，實訓的靈活性不夠。最后，實訓箱的成本高，器件易損壞，實訓設備難以維護。

針對上述問題，近年來部分高職院校將Proteus+Keil仿真的教學方式引入單片機類課程的實踐教學中，提高了學生的積極性和主動性，培養(yǎng)了學生對單片機系統(tǒng)設計的能力，降低了實訓設備的硬件成本。但是，由于這種教學模式主要是以軟件仿真平臺為主，無法完全真實地讓學生學習單片機的硬件知識，導致許多學生上完這門課程后只會軟件仿真，一旦進行真正的單片機系統(tǒng)調試，卻往往束手無策。

二、基于MCGS組態(tài)軟件的單片機應用技術課程創(chuàng)新教學改革

20世紀80年代開始，國外的高校逐漸應用虛擬實訓技術進行實訓教學并進行推廣 [3]。國內高校開展虛擬教學實訓起步較晚，高麗萍等在組態(tài)軟件MCGS的基礎上研究提出了虛擬PLC系統(tǒng)的方案[4]。課題組將MCGS組態(tài)軟件應用于單片機應用技術課程的實訓教學并建立相應的系統(tǒng)監(jiān)控平臺，降低了硬件成本，減輕了實訓室管理人員的工作量，提高了單片機應用技術課程的教學效果。

（一）組態(tài)軟件控制技術

組態(tài)（Configuration）即“配置”“設定”“設置”。隨著集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，組態(tài)軟件慢慢地被廣大的電氣自動化技術人員所認識和接受。組態(tài)軟件控制技術是一種先進的計算機控制技術，用戶可以通過類似“搭積木”的方式來開發(fā)自己所需要的應用程序，而不需要編寫復雜的計算機程序。

MCGS即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”，英文全稱為：Monitor and Control Generated System，是一套國產的用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件工具，具有組態(tài)方式靈活、易學易用等優(yōu)點，在國內自動化領域應用廣泛[5]。將MCGS應用在單片機應用技術教學中，可以用最小的硬件成本直觀生動地將單片機實訓課程的具體操作過程以電腦動畫的形式展現(xiàn)出來，大大提高了單片機實訓課程的趣味性和靈活性。

（二）Modbus-RTU協(xié)議

Modbus協(xié)議是法國莫迪康公司開發(fā)的一種基于主/從架構的總線協(xié)議，允許一臺主機和多臺從機之間進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。物理層可以通過RS-232、RS-485或光纖等多種傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可以達到 115kbps，傳輸距離最遠可以達到1200m?；贛odbus協(xié)議的控制系統(tǒng)理論上可以接一臺主站和247 臺從站，但在實際應用中，最多可以接入一臺主站和32臺從站。

目前，Modbus協(xié)議已經發(fā)展成為一種通用的工業(yè)標準并應用于各種PLC、控制器及智能儀表，其主要有RTU和ASCII兩種通信模式[7]。與ASCII模式相比，采用RTU模式傳輸數(shù)據(jù)的效率比較高，因此，本系統(tǒng)采用RTU模式，其傳輸特性如表1所示。

Modbus協(xié)議采用主/從架構的方式進行數(shù)據(jù)通信，即主機發(fā)送相應請求命令給從機，符合相應地址碼的從機接收命令。如果信息正確，從機根據(jù)功能碼執(zhí)行相應的指令，然后把運行結果返回給主機;如果信息出錯，從機則不返回任何信息。

Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式基本相同，主要由地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯誤校驗碼組成。每幀數(shù)據(jù)之間至少需要3.5字符以上的時間間隔[8]。Modbus-RTU傳輸模式的數(shù)據(jù)幀格式一般如表2所示。

三、硬件設計

根據(jù)單片機應用技術課程實訓的教學要求，制作了基于STC89C52RC芯片為核心的單片機最小系統(tǒng)板作為實訓教學的主要設備，最大程度地節(jié)約了硬件成本，減少了實訓設備維護的工作量，并取得了較好的教學效果。

單片機最小系統(tǒng)板以STC89C52RC芯片為核心，包含電源、復位電路、外部晶振以及串行接口等基本電路。系統(tǒng)采用5v電源供電;11.0592MHz的晶振與30PF的旁路電容并聯(lián)接入XTAL1、XTAL2引腳，構成 CPU 時鐘振蕩電路;P3.0、P3.1引腳主要用來實現(xiàn)程序下載和RS-232串口通信。單片機最小系統(tǒng)板上還留有相應插槽，便于學生自主地進行硬件擴展。

四、軟件設計

（一）單片機的通信程序設計

51單片機在完成初始化后，實現(xiàn)Modbus-RTU協(xié)議的報文接受、解析、校驗、封幀及發(fā)送等功能。系統(tǒng)軟件流程如圖1所示。

單片機從站支持的Modbus-RTU功能碼如表3所示。

（二）上位機的軟件設計與組態(tài)

1.實訓項目分析

分析實訓項目的系統(tǒng)構成、實訓要求和控制流程，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式;分析實訓項目中所采集信號的數(shù)據(jù)類型，明確實時數(shù)據(jù)庫中相應數(shù)據(jù)對象的類型;分析上位機程序的變量構成，明確所創(chuàng)建的變量在上位機程序運行中的作用，分清哪些變量與外部信號相連接，哪些變量在程序內部傳遞數(shù)據(jù)。

2.建立實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是上位機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，擔任著上位機和單片機中相應的存儲單元進行實時數(shù)據(jù)交互的任務。系統(tǒng)運行時，上位機通過實時數(shù)據(jù)庫將用戶的指令快速發(fā)送給單片機;下位機通過實時數(shù)據(jù)庫將單片機寄存器的狀態(tài)以動畫的顯示反映在監(jiān)控界面上。因此，實時數(shù)據(jù)庫是MCGS組態(tài)軟件最核心的部分。

實時數(shù)據(jù)庫的基本組成單元是數(shù)據(jù)對象，定義數(shù)據(jù)對象的過程就是建立實時數(shù)據(jù)庫的過程。定義數(shù)據(jù)對象的工作主要包括定義數(shù)據(jù)對象的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍等。本實訓工程定義了2個數(shù)值型數(shù)據(jù)對象與外界模擬量進行交互，8個開關型數(shù)據(jù)對象與單片機的數(shù)字量進行交互。系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)對象如表4所示，實訓教師可以根據(jù)實際需要增加。

表4 主要數(shù)據(jù)對象一覽表

[數(shù)據(jù)對象名稱 類型 salver01_AI01 數(shù) 值 型 salver01_AO01 數(shù) 值 型 salver01_DI01 開 關 型 salver01_DI02 開 關 型 salver01_DI03 開 關 型 salver01_DI04 開 關 型 salver01_DO01 開 關 型 salver01_DO02 開 關 型 salver01_DO03 開 關 型 salver01_DO04 開 關 型 ]

3.建立窗口、制作動畫顯示

MCGS以窗口為單位構造系統(tǒng)運行的圖形界面。實訓教師可以根據(jù)實訓項目的需求組態(tài)配置，生成各種類型和風格的圖形界面，并且定義出窗口的具體屬性。整個動畫制作過程主要分為兩個步驟：靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置。靜態(tài)圖形設計類似于“畫畫”，MCGS提供了豐富的動畫構件，能夠方便模擬單片機實訓項目中常用的物理器件的動作和功能，實訓教師可以通過工具箱中的基本圖形元素及動畫構件在用戶窗口內組態(tài)生成各種復雜的畫面;動態(tài)屬性設置則需要將圖形的動畫屬性與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立連接關系，使相關的數(shù)據(jù)對象成為動畫圖形的驅動源。

4.連接設備驅動

MCGS組態(tài)軟件支持各種常用的外部設備，基本實現(xiàn)了“設備無關”，針對各種外部設備的不同特征，設立了設備工具箱，定義了多種設備構件，不同的構件對應不同的硬件設備。當用戶對某一構件進行操作或改動時，均不影響其他構件和整個系統(tǒng)的結構。根據(jù)所使用的外部硬件設備，在工具箱中選擇相應的設備構件，設置相關的構件屬性，用戶就能方便地建立組態(tài)軟件與外部硬件設備的連接關系，使上位機能夠監(jiān)控外部設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)組態(tài)軟件對外部設備的驅動和控制。本單片機實訓系統(tǒng)的上位機監(jiān)控程序的通信設置如圖2所示。

五、MCGS組態(tài)軟件在單片機應用技術課程教學上的優(yōu)勢

在單片機實訓教學中引入MCGS組態(tài)軟件存在著諸多優(yōu)勢。用戶在計算機上稍微調整一下組態(tài)界面、數(shù)據(jù)連接和單片機程序就可以實現(xiàn)實訓內容的改變。因此，利用一套成本不高的51系列的單片機最小系統(tǒng)板就可以完成多種實訓項目，很大程度上提高了實訓教學的靈活性。在單片機應用技術的實訓教學中應用MCGS組態(tài)軟件，將使實踐教學變得容易實現(xiàn)。教師可以很方便地把實際生產過程中的操作貼近學生的實訓項目，從而提高學生的學習積極性和教師的實訓教學質量。同時，學?？梢栽诓辉黾訉嵱柺液蛯嵱栐O備的情況下，輕松地利用現(xiàn)有的設備實現(xiàn)多樣化、低成本的實訓教學，豐富實訓教學內容。除此之外，基于MCGS組態(tài)軟件的實訓項目開發(fā)時間短，易于維護，可以同時開發(fā)多個監(jiān)控實訓項目，達到全方位教學目的。在實訓項目中，MCGS組態(tài)軟件與單片機最小系統(tǒng)板的結合具有良好的應用價值，不僅節(jié)約了實訓成本，豐富了實訓教學內容，同時很好地避免了學生只會軟件仿真的弊端。

高職院校的電氣自動化技術專業(yè)主要是培養(yǎng)具有良好職業(yè)道德和可持續(xù)發(fā)展能力，掌握自動控制理論、電氣設備運行規(guī)律、電力系統(tǒng)基本原理等專業(yè)理論知識，具備電氣自動化產品裝配、調試、檢測、技術管理、維護與維修等專業(yè)技能的職業(yè)技術型人才，其專業(yè)核心課程的實踐性和操作性很強，只有經過多次實訓才能真正了解和掌握這些課程。但是，部分高職院校的實訓配套資金缺乏，實訓設備易損壞，學生難以繼續(xù)進行更多的實訓練習，并且這一現(xiàn)狀在短時間內很難得以改變。 因此，這種“先天不足”的矛盾只能依靠各個學校自行解決[9]。將MCGS組態(tài)軟件運用到單片機實訓教學是一種有效的解決手段，很好地解決了硬件設備不易維護和資金短缺的問題，提高了學生對知識的掌握，改善了單片機實訓課程的教學效果。

六、總結

課題組將MCGS組態(tài)軟件運用到單片機課程的實訓教學中，并介紹了MCGS組態(tài)軟件與STC89C52單片機的通信過程。本實訓系統(tǒng)具有良好的開放性和擴展性，教師可以根據(jù)實際需要快速方便地開發(fā)出DS18B20數(shù)字溫度計、流水燈、交通指示燈等多種單片機實訓項目的監(jiān)控程序。在實訓中，借助MCGS組態(tài)軟件對單片機系統(tǒng)進行監(jiān)測與控制，加深了學生對課堂知識點的理解，提高了實訓課程的教學效果，避免了Proteus+Keil模式下學生只會仿真的弊端，為改進單片機應用技術的實訓教學開辟出了一條新道路。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 楊為民.改革單片機課程教學 提升學生的創(chuàng)新能力[J].大學教育，2017（4）：42-43.

[2] 李斌.Proteus仿真在高職單片機課程教學中的應用[J].遼寧高職學報，2017（1）：55-57.

[3] 岳大靈，魏列江，劉增光.液壓系統(tǒng)PLC控制可視化虛擬教學實驗系統(tǒng)的設計[J].大學教育，2016（9）：137-139.

[4] 高麗萍，鄭萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J].西華大學學報（自然科學版），2006（1）：94-96.

[5] 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS使用手冊[M].北京：昆侖通態(tài)公司，2005.

[6] 李慧靜，劉慧文，李棟敬.基于Modbus-RTU協(xié)議的串口通信軟件實現(xiàn)[J].內蒙古科技大學學報，2017（1）：55-57.

[7] 孟祥劍，黎向陽.基于Modbus-RTU協(xié)議的人機界面和單片機串行通信[J].重慶理工大學學報，2014（9）：87-91.

[8] 張彥軍，楊闖.嵌入式與MCGS的Modbus通信方法[J].甘肅科學學報，2017（1）：34-37.

[9] 王洪華.組態(tài)軟件在PLC控制應用技術課程教學中的應用[J] .中國現(xiàn)代教育裝備，2013（13）：71-72.

[責任編輯：鐘 嵐]