基于虚拟仿真和ISP下载的AVR单片机实验模式研究

2013-12-23黄克亚

实验技术与管理 2013年8期

黄克亚

（苏州大学阳澄湖校区自动控制系，江苏苏州 215131）

单片机作为嵌入式系统的一个重要分支，目前已广泛地应用于智能化家用电器、办公自动化设备、工业自动化控制、智能化仪表、通信产品、汽车电子产品、航空航天、国防军事等人类生活的各个领域。全国大中专院校电气自动化专业、应用电子技术专业、通信专业、机电专业等许多专业相继开设了单片机课程。掌握单片机最好的方法是动手实践。但目前高等学校单片机实践教学存在控制芯片陈旧，功能有限，基本上还是以51单片机为主；商品化实验系统的硬件固定且不完全透明，只能完成数量有限的验证性实验，绝大数学生是在“看实验”而不是在“做实验”；仿真器价格昂贵且不稳定，编程器不利于反复修改程序。为此作者提出一种新的嵌入式系统实验模式，将51单片机升级为AVR 单片机，大幅提升其控制性能，采用Proteus和CVAVR 软件联合仿真调试程序，利用ISP（in system programmable）技术在线更新下载程序。实践证明，该模式具有控制芯片功能强，系统实现容易，实验成本低，有利于提高学生的创新能力等优点。

1 由51到AVR单片机

51单片机泛指所有采用Intel公司的MCS－51内核结构，或称为与MCS－51兼容的那些单片机。国内高校中单片机系统的课程与教学，20多年来基本上都是以51单片机作为构成单片机系统的典型控制芯片来介绍，培养出大批熟悉、了解以及掌握51单片机的工程师和技术人员。因此，直到现在，国内51单片机还是具有相当多的用户，在大部分学校的教学中，还是采用51单片机作为学习的典型芯片。从应用和市场的角度看，51单片机仍旧能够满足许多应用系统的需求，并且具有价格低廉、参考资料和工程实例最多等优点。除此之外，现在许多半导体公司和生产厂商也在不断推出以MCS－51为内核的多种类型和型号、经过较大改进和扩展的51兼容SOC单片机，其性能比标准8051单片机要高得多，能够满足许多更高应用需求［1］。

但是由于MCS－51本身内核结构的局限性，51单片机，尤其是标准51架构的单片机，在性能、技术和软硬件设计理念等多方面已经落后，从技术角度看，已经跟不上单片机流行和发展的趋势。随着单片机系统技术的发展，目前市场上出现了许多新型的8 位芯片。其中ATMEL 公司AVR 单片机的发展尤为引人注目。AVR 单片机采用了RISC 结构，其速度、内存容量、外围接口的集成度、向串行扩展和更适合使用高级语言编程等众多特性，以及其所使用的开发技术和仿真调试技术等，都充分体现和代表了当前单片机嵌入式系统发展的趋势。也正是由于这些显著特点，再加上其极高的性价比，使得AVR 得到了广泛的应用，在短时间内成为市场上的主流芯片之一。

从教育的长远和发展眼光出发，我们的单片机教学与学习的目标应该更高些，要相应地改变教学内容、教学方式和学习方式，充分体现和融入新的技术、新的软硬件设计理念和方法，为培养适应当今技术发展的嵌入式系统工程师打好坚实的基础，以满足社会对高水平人才的需求［2］。

2 虚拟仿真技术

传统的单片机课程教学采用“先理论讲解，再动手实验”的教学模式，教学过程中以单片机原理为核心，用大量的原理来引导学生入门单片机的应用只是点缀，这不仅使学生理解困难，感觉枯燥乏味，而且造成学生应用能力不足；教学中将软硬件分离介绍，对单片机软硬件结合的系统设计方法强调不够，也使得学生在构建实际的应用系统时缺少系统化的思路。本文中将Proteus和CVAVR 软件联合使用，实现单片机软硬件的仿真。这种方法用虚拟单片机代替实验箱的硬件电路，形象具体，增强了学生的感性认识，有助于对单片机原理的理解。大量的教学实例通过软件仿真，不仅节约了硬件资源，而且提高了教学效率［3］。

2.1 Proteus CVAVR 的基本特点

Proteus软件是英国Lab center electronics公司出版的EDA 工具软件。Proteus与其他电子仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。从某种意义上讲，这种仿真弥补了实验和工程应用之间脱节的矛盾［4］。

CodeVision AVR 是HP Info Tech专门为AVR设计的一款低成本的C 语言编译器，它产生的代码非常严密，效率很高。它不仅包括了AVR C 编译器，同时也是集成IDE 的AVR 开发平台，简称CVAVR。与其他的C语言开发平台相比较，CVAVR 对位（bit）变量的支持，大量扩展的对一些标准的外部器件支持和接口函数（如:标准字符LCD 显示器、I2C 接口、SPI接口、延时函数等），以及方便地对EEPROM 的操作功能等特点更加适合一般人员的学习和使用。

2.2 联合单片机系统的硬件仿真实现方法

基于Proteus和CVAVR 联合单片机系统的硬件仿真具体实现方法如下:首先分析问题、确定设计方案，在Proteus 软件中绘制电路原理图，然后在CVAVR 软件中使用C 语言编写控制程序，并编译生成HEX 文件，随后进行软硬件联合仿真调试，即将Proteus硬件开发环境和CVAVR 软件开发环境二者在计算机上结合使用，达到完美的单片机模拟开发全过程。

这种软、硬件开发环境的结合使用方式有两种，一种是静态结合，一种是动态结合［5］。静态结合仿真就是把CVAVR 软件下生成的HEX 文件，嵌入Proteus软件进行软硬件模拟仿真；动态结合仿真就是利用Proteus软件支持第三方的软件编译和调试环境的特点，把Proteus软件和CVAVR 软件动态连接，实现二者的动态实时仿真。为了简单起见，实际应用中一般采用静态结合的方法。最后观察实验结果，单击Proteus中的执行按钮，开始仿真，如果实验没有达到预期效果，可以很方便地修改硬件电路或软件程序重新实验，直到完全达到控制要求为止［6］。

3 USB－ISP在线下载技术

传统的单片机实验教学主要有两种模式，一种是采用仿真器模拟单片机的开发模式，另一种是采用直接“烧写程序”的方式。在用仿真器模拟单片机的开发模式下可以任意修改程序，支持单步、中断等多种调试方式，有利于快速推进开发过程，但是仿真器价格昂贵，且稳定性差，对实验结果有一定的干扰。而采用将程序编译生成的目标文件直接烧到单片机芯片中，然后再将单片机安装到实验板上的这种方式成本较低，但单片机需反复拔插，较为麻烦且容易损伤单片机引脚［7］。

近年来，USB通信技术和ISP（在系统可编程）技术均取得长足的发展，使得只需要一根USB数据线和简单ISP电路即可将PC机上的目标程序轻松写入到单片机芯片中去，而且支持在线更新，使实验和调试变得十分容易。同时PC 机USB 端口提供的稳定5V电源，也可以直接供实验板使用。这些均为研发一种新型单片机实验装置提供了思路和技术支持［8］。

ISP在线下载电路主要实现PC 机与单片机USB通信功能，进而将PC 机上目标程序下载到实验板的单片机芯片中去。如图1所示，ISP电路主要由AVR单片机ATmega8L（U1），USB端口（P3），10针ISP接口（P1），自锁按钮（P4），复位按钮（P2），工作指示灯（LED1、LED2），时钟电路等组成。ATmega8L 单片机用于USB 串口协议的软件模拟和ISP 下载操作。10针ISP接口用于对其他设有ISP 接口的单片机开发板下载程序，使用时只需将两个ISP接口使用一10针排线连接即可。自锁按钮用于选择是否将USB 电源供给实验装置；复位按钮可以远程复位目标板单片机系统。时钟电路由外接晶振X1和微调电容C1、C2构成。实验系统电源有两种选择，一种方式是直接由PC机USB端口供电，另外一种方式是外接＋5V 直流电源，选择哪一种供电方式由电路板上相应跳线确定，在USB端口供电参数满足实验要求的条件下一般选择USB供电方式［9］。

图1 USB－ISP下载器原理图

4 AVR单片机实验模式

采用理论－实验一体化项目教学有利于克服传统教学以章节为序、重理论、轻实践的教学模式带来困境。理－实一体的项目式教学作为一种具有职业教育特色的教学方式，有助于开展基于工作过程系统化的课程开发，优化教学过程，并提高教学质量和效率，改变了传统的以验证理论为目的的单片机实验教学，使高职院校能够根据岗位需求和经济发展组织教学。论文中提出的基于虚拟仿真和ISP 在线下载技术的AVR 单片机实验模式为理论－实验一体化项目教学提供了技术支持，而且更有利于提高学生单片机的综合开发能力和培养创新能力［10］。

4.1 AVR单片机实验过程

基于虚拟仿真和ISP在线下载技术的AVR 单片机实验模式如图2 所示。首先明确实施项目设计任务，技术指标，合理划分软硬件功能，确定系统总体实施方案。然后同时开展软硬件设计，硬件电路设计主要包括硬件逻辑框图设计，合理选择元器件，系统电路图设计，在万能板上完成电路制作并进行测试，测试完成之后在Proteus软件中完成与实际电路相对应的硬件仿真图设计。系统软件设计主要包括软件结构设计，确定实现算法，采用CVAVR 编写控制程序，连接编译成功之后生成目标文件（HEX 格式）。硬件和软件设计均完成之后，则进入下一个环节，即采用Proteus软件和CVAVR 软件进行联合仿真调试，检验系统控制功能是否实现，由于仿真电路和实际电路是完全相同的，其虚拟仿真的指导性很强的，而且仿真时可以设置连续、单步、中断等调试方式，可以说虚拟仿真技术几乎可以完全取代传统的硬件仿真器。仿真通过后进入下一环节，即将目标程序通过自行制作的USB－ISP下载器下载到目标板上进行现场调试，调试通过，则圆满地完成项目设计任务，如果在调试中发现问题，则根据问题的不同转入相应阶段进行修改，直到系统能够实现全部控制功能［11］。

4.2 实验模式实施实例

本文中以“LED 点阵实时温度显示系统”项目为例介绍基于虚拟仿真和ISP在线下载的AVR 单片机实验模式实施过程。

4.2.1 确定项目设计任务及技术指示，给出系统总体实施方案

图2 AVR 单片机实验模式框图

本系统设计目标是能够实时采集现场温度，并将温度值显示在LED 点阵显示器上。主控芯片选择高性能、低功耗的8位AVR 微处理器ATMEGAl6。由于DSl8B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU 的I／O 引脚资源少，和MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以选用DSl8B20作为温度测量的传感器［12］。LED 点阵选择4片8×8点阵模块拼成1片1 6×1 6点阵模块，使用时需要将相应的行线和列线并联，控制时采用多个字符分时显示的方式以显示较多的信息，每个字符对应的显示码是通过专用取字模软件生成的，图3为温度单位“℃”的取字模界面。

图3 字模提取软件界面

4.2.2 完成系统软硬件设计，建立仿真电路和编写控制程序并行联合调试

首先在万能电路板上完成系统硬件电路设计。之所以选择万能板主要考虑若采用PCB 板开发周期较长且成本较高，若采用面包板虽然十分方便且比较经济，但面包板搭建的电路经常出现接触不良，而且很难查找。万能板价格便宜，制作电路不太会出现接触不良现象，特别是在万能板电路制作过程需要学生考虑芯片的每一个引脚，每一条线路的实际连接，更有利于提高学生的动手能力和培养学生创新设计能力。接着完成系统软硬件设计，并在Proteus中建立仿真电路和用CVAVR 软件编写好控制程序，此时即可开展软硬件联合仿真调试，其仿真调试结果如图4所示。

图4 系统联合仿真调试结果图

4.2.3 将生成的目标程序下载到控制芯片中，实现用虚拟到现实的转换

将CVAVR 中生成的目标程序通过自制的USBISP编程器下载到万能板上控制芯片中去，进行现场调试，实现由虚拟到现实的转换。有些技术参数，比方说I／O 口的驱动能力，只有在板运行才能观测出来。现场调试运行效果如图5所示，可见项目设计达到了预期目标，完成了设计任务，如果在调试中发现问题应转入相应阶段进行修改，直到完全满足控制要求为止。

图5 现场调试效果图

5 结束语

基于虚拟仿真和ISP在线下载的AVR 单片机实验模式是以单片机系统开发过程中实际存在的项目为载体，便于推进“基于工作过程系统化”的项目式教学改革。该模式无需购买昂贵的实验设备，既节约了实验成本又便于项目及时更新，使得教学内容可以紧跟技术前沿，学生的设计作品也充满创意。由系统规划到组织实施，由虚拟仿真到现场调试，模式涉及单片机系统应用的全过程，既是教学、实验和实训过程，又是单片机系统开发过程，可以对学生单片机系统综合应用能力进行全方位的训练。总之，论文中所提出的AVR 单片机新的实验模式是一种低成本、高效率、训练全面、更新容易的单片机系统教学和开发模式。

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［2］谢文苗，韩玉芬，徐春秀.基于AVR 系列单片机的电路综合实验课程改革［J］.实验技术与管理，2010，27（3）:188－190.

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