一種單片機虛擬實驗室的建立方法

　　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，本文在此基礎上又加入了與上位機的聯(lián)合調(diào)試。

　　在此，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 6．O開發(fā)，虛擬串口采用Virtual Serial Ports Drivei XP 5．1；虛擬調(diào)試平臺采用Proteus 6．7 SP3；聯(lián)合調(diào)試軟件使用Keil C51 μVision 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。

　　2．1 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設計功能，可以仿真51系列、AVR，PIC，ARM等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真。Proteus的強大功能為虛擬實驗室的構(gòu)建提供了基礎。

　　2．2 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P3．O，P3．1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屬性設置窗口，為了串行通信設置方便，設置晶振Clock Frequeney為11．059 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，該串口是在后面使用軟件虛擬出來的，其他參數(shù)設置如圖4所示，其代表波特率9 600 b／s，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。上位機中的通信設置以及單片機的軟件編寫都要求與該設置一致。

　　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。

　　3．1 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：

　　3．2 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，分別對應控制P0口的8個小燈；8個1abe1數(shù)組，分別對應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置，包括選擇串口，設置波特率，設置數(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。

　　4．1 Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試

　　使用Proteus和Keil的聯(lián)合調(diào)試，在原理圖的設計階段就可以對設計進行評估，驗證所設計電路的軟硬件是否達到設計要求的技術(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)省設計時間與經(jīng)費，提高設計效率與質(zhì)量。

　　Proteus可以和Keil聯(lián)調(diào)設置步驟如下：

　　(1)復制安裝目錄Proteus＼MODELS下的VDM51．dll文件到Keil安裝目錄的＼C51＼BIN目錄中。

　　(2)修改Keil安裝目錄下Tools．ini文件，在C51字段加入TDRV5=BIN＼VDM51．DLL("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設為127．0．0．1，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。

　　通過這樣的設置，就可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。

　　4．2 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 5．1，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 5．1界面如圖6所示，左側(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Add／Removeports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 5．1)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。