基于虚拟仿真软件的单片机串行通信系统设计

唐敏

（大连职业技术学院 辽宁 大连 116037）

目前，高职院校的单片机课程教学多是采取“理实一体化”的形式，在理论教学环节中，要求学生掌握相应的单片机理论知识，在实践教学环节中，要求学生能够应用所掌握的理论知识完成设计要求。 两个环节相辅相成，互为支撑。 但是，在实际教学过程中，2 个环节都存在一些问题[1]。理论教学中存在 “硬件内部结构不好讲”、“软件控制过程不好讲”和“扩展应用连接控制不好讲”3 个问题。实践教学中存在“实验台局限”、“实践场地局限”和“单片机种类局限”3 个问题。 由于上述存在的问题，很大程度上限制了学生的设计能力。

为了解决上述理论和实训教学中的问题，在教学过程中引入仿真软件，一方面为单片机课程教学提供便捷的实训环境，并能更好地展开教学，使教学中的难点和重点直观的讲解，便于同学们理解单片机的理论知识；另一方面，为学生自学提供了便捷的实训环境，不仅使学生掌握目前企业主要使用的软件，自己构建企业实际单片开发环境，还可以通过软件的使用理解单片机的知识，并进一步提高自己应用单片机的能力，这样也能更好系统的掌握开发方法，增强自己的实践能力，培养科学研究的兴趣，并通过对系统的调试，增加学生分析问题、解决问题的能力。

以设计开发一个基于单片机的双向串行通信控制教学系统为例。 学生可以通过该系统了解串行通信协议的相关原理和应用。在该控制系统中，通过PROTEUS 仿真软件搭建系统的硬件平台[2]，再通过KEIL 软件编辑和编译系统的软件代码[3]，从而实现两个单片机之间双向数据串行通信[4]系统的设计。 为了使系统功能更加完善，系统中还能显示发送和接受的数据， 也可以通过PROTEUS 仿真软件示波器观察测试通信过程。 通过示波器测试数据波形，能够很好理解通信协议中有关数据格式的规定，通过示波器测试的管脚电压波形变化， 能够很好理解通信协议中有关发送接收动作的规定，从而更好地理解串行通信协议[5]。 并能够以此进行多机通信的扩展，也可以进行其他通信协议的扩展。

1 串行通信教学系统的总体设计方案

根据单片机串行通信控制教学系统的要求，将整个系统按照功能划分为控制模块、通信模块、显示模块和测试模块4个部分。 如图1 所示。

图1 串行通信教学系统的设计框图Fig. 1 Structure diagram of the serial communication teaching system

其中控制模块主要是2 个单片机， 作为系统的核心部件，完成电源控制、时钟控制和复位控制；通信模块是2 个单片机之间的连接部分， 主要构成数据发送通道和接收通道，负责数据的双向传送；显示模块是LED 显示器件，每个单片机侧都有发送数据显示部分和接收数据显示部分，主要用于显示将要发送的数据和接收到的数据； 测试模块是PROTEUS 软件自带的仿真示波器， 主要负责测试通信数据格式和通信动作时序。

2 基于Proteus 仿真软件搭建硬件平台

使用Proteus 仿真软件， 根据不同功能模块的要求搭建仿真的硬件平台。 具体如图2 所示。

图2 串行通信教学系统的硬件电路图Fig. 2 Hardware of the serial communication teaching system

首先，进行控制模块的硬件设计。 主要选择器件，根据该教学系统中存储空间和通信引脚的要求， 选择AT89C51，内部ROM 有4 k 字节，内部RAM 有128 字节，有一个全双工的UART 端口。 电源采用+5 V，时钟电路外接12 MHz 晶振，在RST 引脚上引起2 个机器周期之上的高电平可以复位单片机。

第二步，进行通信模块的硬件设计。 全双工双向通信是不能共用数据通道的， 因此需要搭建专门的双向数据通道。发送数据的单片机将数据通过TXD 引脚发送， 经过数据通道，传送到接收数据的单片机的RXD 引脚。 发送数据的单片机作为主设备控制发送的数据和动作。 2 个单片机可以交替进行数据的发送，从而实现双向串行数据通信。

第三步，进行显示模块的的硬件设计。 由于该教学系统发送的数据都是简单的单个字符， 因此选择共阳极的7 段LED 数码管就足够显示数据。 在单片机将要发送数据之前，先送到显示模块中发送数据显示部分显示， 然后发送数据。接收到数据后也送到显示模块中接收数据显示部分显示。 这样，可以直观地观察到双向串行通信的运行结果。

最后，进行测试模块的设计。 此处，并不是采用实际的示波器，主要是考虑到学生自学过程中不具备这样的条件。 取而代之的是Proteus 软件自带的仿真示波器， 只要安装了Proteus 软件就可以使用仿真示波器。

3 基于KEIL 软件编辑编译软件系统

使用KEIL 软件，主要完成控制模块、通信模块和显示模块的软件代码的编辑编译[6]。

首先，进行控制模块的软件设计。 按照图3 的软件流程，控制模块主要完成系统初始化、 串行通信控制和显示控制3个部分。系统初始化完成存储器、引脚和中断的初始化。串行通信控制主要根据串行中断状态完成数据传输[7]。 显示控制主要根据通信状态完成数据显示。

第二，进行通信模块的软件设计。 主要分为发送数据部分和接收数据2 个部分。 发送数据时，将待发送数据送至发送缓存中，引起发送中断，然后通过TXD 引脚串行发送数据。接收数据时，数据通过RXD 引脚串行接收到接收缓存中，引起接收中断。

第三，进行显示模块的软件设计[8]。 在即将发送数据前和接收到数据后显示数据。

图3 串行通信教学系统的主程序流程图Fig. 3 Flow chart of the serial communication teaching system

4 基于Proteus 软件验证系统

系统的正确性包括数据正确性、通信数据格式正确性和通信动作正确性。

首先，设置仿真示波器的测试引脚和测试环境参数，调节完成后， 就可以通过仿真示波器观察到通信数据和引脚时序，保存观察结果便于进行分析[9]。 其中测试引脚包括TXD 和RXD 引脚。 测试环境参数包括数据通道、扫描时间系数等参数。

其次，分析数据正确性，可以通过显示模块直观分析。 将观察的测试结果记录如表1 所示。

根据表1 可以看出，甲机向乙机发送字符‘0’，乙机接收到后通过数码管显示结果也为‘0’，说明发送数据正确。 然后乙机再回送字符‘1’给甲机，甲机接收到后通过数码管显示结果也为‘1’，说明接收数据正确。 通过串行通信教学系统的显示模块直观观察结果，说明数据传送正确。

表1 串行通信教学系统的测试结果Tab. 1 Test result of the serial communication teaching system

最后，分析通信数据格式，观察起始位、停止位和数据位。 最后观察通信动作时序。

图4 串行通信教学系统的数据格式Fig. 4 Data format of the serial communication teaching system

根据图4 可以看出，甲机和乙机采用单片机串行通信工作方式1，为波特率可变的8 位异步通信口，数据为10 位，即1 个起始位、8 个数据位（低位在先，高位在前）和1 个停止位。 参照串行通信工作方式1 的时序图，可以看出，除了起始位和停止位，发送的字符‘2’的共阳极段选码为0xA4，发送的字符‘3’的共阳极段选码为0xB0。

5 结束语

通过使用Proteus 仿真软件设计硬件电路， 结合Keil 软件设计程序，最终形成单片机串行通信教学系统。 该教学系统不仅可以完成内容难度较大的串行通信的讲解，在教学过程中把教学内容直观地展示给学生，同时也教会学生学习通信协议的方法，使学生具有使用串行通信的能力；还可以完成多种通信协议的扩展，并且不局限于单片机种类，也不局限于硬件电路和使用场地，有利于学生进一步学习多种通信协议，使学生具有单片机通信接口扩展的能力。

[1] 赵虎. Proteus和Keil软件在单片机教学中的应用[J]. 西南农业大学学报:社会科学版，2011（2）:169-171.

[2] 黎雪芬.KEIL及Proteus软件在单片机仿真教学中的应用[J].装备制造技术，2013（3）:49-50.

[3] 赵月静，张永弟，翟卫贺. Proteus 和Keil C 在开发单片机控制系统中的应用[J]. 实验科学与技术，2013（4）:31-34.

[4] 陈军. 基于Proteus的串口通信系统仿真设计[J]. 自动化与仪器仪表，2012（4）:51-53.

[5] 雷建龙. 单片机C语言实践教程[M]. 北京：电子工业出版社，2012：216.

[6] 吕瑞云. 基于单片机的串行通信研究[J]. 电子世界，2012（3）:76-77.

[7] 赵瑞国，马杰，何志勇，等. 液体火箭发动机高速采集数据工程数据库设计及应用[J]. 火箭推进，2011（3）:60-64，72.

[8] 崔岩. 采用T型电路参数法对现场电流互感器测量的研究[J].陕西电力，2011（9）:63-66.

[9] 徐拥军，谢书鸿，栗鸣，等. 基于OPPC的温度和应力光纤光栅传感技术[J]. 供用电，2013（2）:40-45.