單片機虛擬實驗室的建立方法

1、0 引 言 單片機的學習是一個實踐性很強的過程，目前的單片機實驗室基本采用硬件仿真設(shè)備搭建，受資金和場地的限制，單片機實驗室配置的靈活性和完整性受到一定的限制。針對這些問題，在此提出一種建立基于個人PC和各種軟件的單片機個人虛擬實驗室方案。所謂“虛擬實驗室”，就是將計算機上的各種虛擬儀器，按實驗要求和設(shè)計原理，虛擬出與現(xiàn)實相同的實驗系統(tǒng)，進而在這個系統(tǒng)上完成整個實驗。與傳統(tǒng)實驗模式相比，虛擬實驗具有比較明顯的優(yōu)勢，例如，涉及的實驗內(nèi)容全面，硬件投入少，學生可自行實驗，實驗過程中損耗小，與工程實踐最為接近等。一般的虛擬實驗室僅包含單片機系統(tǒng)的調(diào)試，本文在此基礎(chǔ)上又加入了與上位機的聯(lián)合調(diào)試。在此，

2、以使用VB通過RS 232串口控制51單片機LED的亮滅為例，介紹基于PC和軟件建立單片機虛擬實驗室的過程。1 單片機虛擬實驗室的構(gòu)成原理框圖如圖1所示。上位機用于編寫監(jiān)控界面及程序，實現(xiàn)對單片機系統(tǒng)的監(jiān)控，它可以使用VB，VC，Delphi等軟件實現(xiàn)；虛擬串口用來實現(xiàn)上下位機通信的軟件模擬，在這里也可以使用自帶通信類的LabVIEW來實現(xiàn)上位機軟件和虛擬串口兩項功能；虛擬調(diào)試一般以Proteus為平臺，建立單片機系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)；聯(lián)合調(diào)試軟件可為單片機系統(tǒng)提供軟件，Proteus支持Hex，COF，D90類型文件，同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，聯(lián)合調(diào)試軟件一般有Keil，ADS，Wave

3、等。為了更具有代表性和一般性，該方法的上位機軟件使用VB 6O開發(fā)，虛擬串口采用Virtual Serial Ports Drivei XP 51；虛擬調(diào)試平臺采用Proteus 67 SP3；聯(lián)合調(diào)試軟件使用Keil C51 Vision 2。2 系統(tǒng)硬件的建立單片機系統(tǒng)的硬件在Proteus中實現(xiàn)，主要完成硬件平臺的搭建和仿真效果的觀察。21 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，它能夠提供豐富的測試信號用于電路測試，同時還提供Schematic Drawing，Spice仿真與PCB設(shè)計功能，可以仿真51系列、AVR，PIC，arm等常

4、用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真。Proteus的強大功能為虛擬實驗室的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。22 硬件平臺的搭建在這里，單片機采用AT89C52，在P1口接8個LED，單片機的P3O，P31分別與串口元件COMPIM的RXD，TXD相連，COMPIM已經(jīng)自帶電平轉(zhuǎn)換功能，就不需要MAX232元件，復位、晶振電路也不需要。硬件平臺原理圖如圖2所示。調(diào)出AT89C52屬性設(shè)置窗口，為了串行通信設(shè)置方便，設(shè)置晶振Clock Frequeney為11059 2 MHz，如圖3所示，其他參數(shù)保留默認即可。打開串口元件COMPIM屬性對話框，在Physical port選項選擇COM4，即使用串口4，該串口是

5、在后面使用軟件虛擬出來的，其他參數(shù)設(shè)置如圖4所示，其代表波特率9 600 bs，8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1個停止位，其余選項保持默認即可。上位機中的通信設(shè)置以及單片機的軟件編寫都要求與該設(shè)置一致。3 系統(tǒng)軟件的建立系統(tǒng)軟件的建立包括單片機系統(tǒng)軟件和PC上位機軟件的建立。31 單片機系統(tǒng)軟件的建立Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件。在該例中，單片機主要完成串口接收，將接收的數(shù)據(jù)送到P0口，從而實現(xiàn)上位機控制下位機的簡單功能。該程序在。Keil軟件中編寫。串口初始化函數(shù)如下：32 位機控制程序的建立上位機使用VB建立界面和通信程序，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。利用VB開發(fā)串口通信程序主要

6、有兩種方法：一是使用MSComm串口控件；二是調(diào)用Windows API函數(shù)。在實踐中，使用VB串口控件實現(xiàn)通信的方法比調(diào)用API動態(tài)鏈接庫的方法更加方便快捷，也減少了因編程不當導致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。建立8個checkbox數(shù)組，分別對應(yīng)控制P0口的8個小燈；8個1abe1數(shù)組，分別對應(yīng)8個編號；2個按鈕分別為發(fā)送、退出；1個MSComm控件。在這里，使用虛擬串口COM3，串口設(shè)置與Proteus中的一致，運行如圖5所示，程序如下：聲明全局變量：Dim DataOutValue As Integer DataOutValue為發(fā)送值。初始化程序：主要完成對串口的設(shè)置，包括選擇串口，設(shè)置波特率，設(shè)置

7、數(shù)據(jù)格式，打開串口等。4 虛擬環(huán)境的集成分別建立系統(tǒng)的軟硬件之后，還要在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)軟硬件的聯(lián)系和上下位機的通信。41 Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試使用Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試，在原理圖的設(shè)計階段就可以對設(shè)計進行評估，驗證所設(shè)計電路的軟硬件是否達到設(shè)計要求的技術(shù)指標；還可以通過改變元器件參數(shù)使整個電路性能達到最優(yōu)化，以節(jié)省設(shè)計時間與經(jīng)費，提高設(shè)計效率與質(zhì)量。Proteus可以和Keil聯(lián)調(diào)設(shè)置步驟如下：(1)復制安裝目錄ProteusMODELS下的VDM51dll文件到Keil安裝目錄的C51BIN目錄中。(2)修改Keil安裝目錄下Toolsini文件，在C51字段加入T

8、DRV5=BINVDM51DLL(PROTEUS 6EMULATOR)并保存。在這里，不一定要用TDRV5，根據(jù)原來字段選用一個不重復的數(shù)值就可以了。引號內(nèi)的名字隨意。(3)打開Proteus，畫出相應(yīng)電路，在Proteus的“Debug”菜單中選中“Use Remote Debug Monitor”。(4)進入Keil的Project菜單Option for Target“工程名”，在Debug選項中右欄上部的下拉菜單選中Proteus Driver，再進入Settings，PC的IP設(shè)為127001，端口號為8000。(5)在Keil中進行debug，同時在Proteus中查看直觀的結(jié)果。

9、通過這樣的設(shè)置，就可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。42 使用虛擬串口建立上位機和下位機的通信PC上位機與下位機的聯(lián)系，傳統(tǒng)上是通過物理接口如串并口等完成。虛擬實驗室中，由于下位機在PC中用軟件模擬實現(xiàn)，上位機與下位機的聯(lián)系與傳統(tǒng)有所區(qū)別。這里使用虛擬串口軟件Virtual Serial Ports Driver XP 51，其目的是用軟件虛擬出VB上位機和Proteus中建立的單片機系統(tǒng)完成通信的串口。值得注意的是，這種通信只能在兩個虛擬串口之間進行，該例子中，上位機和單片機系統(tǒng)各使用一個虛擬串口，從而實現(xiàn)通信。Virtual Serial Ports Driver XP 51界面如圖6所示，左

10、側(cè)Physical ports代表PC機物理串口。該例子所用計算機為COM1和COM2，點擊AddRemoveports中Add pair左邊First，Second下拉框，分別選中COM3，COM4；然后點擊Add pair按鈕，就加入了虛擬串口COM3，COM4，如圖左側(cè)Virtual ports所示。這樣，上位機VB程序以及Proteus中的單片機系統(tǒng)就可以像使用物理串口一樣使用虛擬串口COM3，COM4。如前文所述， Proteus中的COMPIM元件使用虛擬串口COM4，VB中使用虛擬串口COM3。完成這些步驟，就能使用虛擬出的串口COM3，COM4。5 上下位機聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果以上步

11、驟完成之后，啟動仿真就可以實現(xiàn)上、下位機的聯(lián)合調(diào)試。運行虛擬串口軟件 (vspdXP 51)點擊Proteus中的運行按鈕，選中或取消選中VB界面中代表LED的checkbox，然后點擊發(fā)送按鈕，Proteus界面中對應(yīng)的LED 小燈便實現(xiàn)亮滅。運行效果如圖7所示。通過觀察，該方法建立的虛擬實驗室其功能得以實現(xiàn)。6 結(jié) 語在此通過一個簡單實例詳細介紹一種虛擬實驗室的建立方法，可以看出使用純軟件的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機開發(fā)硬件或軟硬結(jié)合的調(diào)試方法，使得單片機實驗室的建立僅依賴一臺電腦和若干的軟件，實現(xiàn)了包括上位機在內(nèi)的單片機系統(tǒng)的調(diào)試仿真。具有直觀、節(jié)省成本，與實際最為接近等特點。為個人單片機的學習

12、提供了經(jīng)濟、高效的實現(xiàn)方案，同時，使得軟、硬件配置更加靈活，縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了開發(fā)成本，避免了制版焊接等過程中的不確定因素，為單片機項目的開發(fā)提供了新的方法。本文用到的其他控件：CommandButton控件和TextBox控件按默認屬性設(shè)置不變。 單片機編程器 HPOO 以上設(shè)置完成，回到編程窗體區(qū)中，任意雙擊。會顯示Visual Basic的程序窗體的Load事件程序。在代碼窗口中輸入： 單片機編程器 HPOO Private Sub Form_Load()MSComm1.PortOpen = True窗體的加載時，就打開通信端口，通信端口的參數(shù)也可以在此指定 Timer1.Enabl

13、ed = Timer1.Enabled窗體的加載時，同時定時器控件事件End Sub 電子元件郵購網(wǎng) 這樣設(shè)置目的是當程序在打開是，首先打開通信控件MSComm，注意這里的串口通信參數(shù)中的波特率設(shè)置是默認參數(shù)的。即：波特率：9600bps；校驗位：無；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1。 電子元件郵購網(wǎng) 雙擊定時器控件Timer1同樣在定時器窗體的事件程序中，輸入相關(guān)代碼： 電子元件郵購Private Sub Timer1_Timer()If MSComm1.InBufferCount 0 Then程序檢查輸入緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù) Text1.Text = Text1.Text + MSComm1.Input則將此數(shù)據(jù)讀取后，指定給文本框的Text屬性End IfEnd Sub 單片機編程器 HPOO 此事件會在每一個Interval屬性值的循環(huán)計數(shù)間隔內(nèi)被調(diào)用一次，這樣就可以一直讀取串口中有無數(shù)據(jù)發(fā)送。定時器一直按設(shè)置速度循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)。直到串口的程序緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)就把他發(fā)給Text1文本框顯示出來。 杭州電子元件郵購網(wǎng)地址: 最后雙擊CommandButton控件 ，在彈出的程序窗口