基于PC和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

引 言

單片機(jī)的學(xué)習(xí)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的過程，目前的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)室配置的靈活性和完整性受到一定的限制。針對(duì)這些問題，在此提出一種建立基于個(gè)人PC和各種軟件的單片機(jī)個(gè)人虛擬實(shí)驗(yàn)室方案。所謂“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，就是將計(jì)算機(jī)上的各種虛擬儀器，按實(shí)驗(yàn)要求和設(shè)計(jì)原理，虛擬出與現(xiàn)實(shí)相同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)而在這個(gè)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾龋摂M實(shí)驗(yàn)具有比較明顯的優(yōu)勢，例如，涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面，硬件投入少，學(xué)生可自行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中損耗小，與工程實(shí)踐最為接近等。一般的虛擬實(shí)驗(yàn)室僅包含單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試，本文在此基礎(chǔ)上又加入了與上位機(jī)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(jī)LED的亮滅為例，介紹基于PC和軟件建立單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的過程。

1 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成

原理框圖如圖1所示。上位機(jī)用于編寫監(jiān)控界面及程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控，它可以使用VB，VC，Delphi等軟件實(shí)現(xiàn)；虛擬串口用來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信的軟件模擬，在這里也可以使用自帶通信類的LabVIEW來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件和虛擬串口兩項(xiàng)功能；虛擬調(diào)試一般以Proteus為平臺(tái)，建立單片機(jī)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)；聯(lián)合調(diào)試軟件可為單片機(jī)系統(tǒng)提供軟件，Proteus支持Hex，COF，D90類型文件，同時(shí)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(jī)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(tái)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(jī)系統(tǒng)的硬件在Proteus中實(shí)現(xiàn)，主要完成硬件平臺(tái)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(shí)物仿真軟件，它能夠提供豐富的測試信號(hào)用于電路測試，同時(shí)還提供Schematic Drawing，Spice仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，可以仿真51系列、AVR，PIC，ARM等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真。Proteus的強(qiáng)大功能為虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。

2．2 硬件平臺(tái)的搭建

在這里，單片機(jī)采用AT89C52，在P1口接8個(gè)LED，單片機(jī)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(fù)位、晶振電路也不需要。硬件平臺(tái)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11．059 2 MHz，如圖3所示，其他參數(shù)保留默認(rèn)即可。打開串口元件COMPIM屬性對(duì)話框，在Physical port選項(xiàng)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(shè)置如圖4所示，其代表波特率9 600 b／s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1個(gè)停止位，其余選項(xiàng)保持默認(rèn)即可。上位機(jī)中的通信設(shè)置以及單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)軟件和PC上位機(jī)軟件的建立。

3．1 單片機(jī)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(jī)的軟件。在該例中，單片機(jī)主要完成串口接收，將接收的數(shù)據(jù)送到P0口，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制下位機(jī)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(jī)控制程序的建立

上位機(jī)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(shí)踐中，使用VB串口控件實(shí)現(xiàn)通信的方法比調(diào)用API動(dòng)態(tài)鏈接庫的方法更加方便快捷，也減少了因編程不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

建立8個(gè)checkbox數(shù)組，分別對(duì)應(yīng)控制P0口的8個(gè)小燈；8個(gè)1abe1數(shù)組，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)編號(hào)；2個(gè)按鈕分別為發(fā)送、退出；1個(gè)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(yùn)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(duì)串口的設(shè)置，包括選擇串口，設(shè)置波特率，設(shè)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(shí)現(xiàn)軟硬件的聯(lián)系和上下位機(jī)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(shè)計(jì)階段就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行*估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的軟硬件是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)；還可以通過改變元器件參數(shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化，以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

Proteus可以和Keil聯(lián)調(diào)設(shè)置步驟如下：

(1)復(fù)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(gè)不重復(fù)的數(shù)值就可以了。引號(hào)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(jìn)入Keil的Project菜單Option for Target“工程名”，在Debug選項(xiàng)中右欄上部的下拉菜單選中Proteus Driver，再進(jìn)入Settings，PC的IP設(shè)為127．0．0．1，端口號(hào)為8000。

(5)在Keil中進(jìn)行debug，同時(shí)在Proteus中查看直觀的結(jié)果。

通過這樣的設(shè)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(jī)和下位機(jī)的通信

PC上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)驗(yàn)室中，由于下位機(jī)在PC中用軟件模擬實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)與下位機(jī)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(jī)和Proteus中建立的單片機(jī)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(gè)虛擬串口之間進(jìn)行，該例子中，上位機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)各使用一個(gè)虛擬串口，從而實(shí)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(jī)物理串口。該例子所用計(jì)算機(jī)為COM1和COM2，點(diǎn)擊Add／Removeports中Add pair左邊First，Second下拉框，分別選中COM3，COM4；然后點(diǎn)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(jī)VB程序以及Proteus中的單片機(jī)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(jī)聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果

以上步驟完成之后，啟動(dòng)仿真就可以實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的聯(lián)合調(diào)試。運(yùn)行虛擬串口軟件 (vspdXP 5．1)點(diǎn)擊Proteus中的運(yùn)行按鈕，選中或取消選中VB界面中代表LED的checkbox，然后點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，Proteus界面中對(duì)應(yīng)的LED 小燈便實(shí)現(xiàn)亮滅。運(yùn)行效果如圖7所示。通過觀察，該方法建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室其功能得以實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 語

在此通過一個(gè)簡單實(shí)例詳細(xì)介紹一種虛擬實(shí)驗(yàn)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(jī)開發(fā)硬件或軟硬結(jié)合的調(diào)試方法，使得單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建立僅依賴一臺(tái)電腦和若干的軟件，實(shí)現(xiàn)了包括上位機(jī)在內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試仿真。具有直觀、節(jié)省成本，與實(shí)際最為接近等特點(diǎn)。為個(gè)人單片機(jī)的學(xué)習(xí)提供了經(jīng)濟(jì)、高效的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)，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(jī)項(xiàng)目的開發(fā)提供了新的方法。