2018年01月05日 | 采用51单片机数字实验室的实验和设计

　　一个单片机应用系统是由硬件和软件组成的。系统硬件设计包括单片机CPU的选型、接口电路的设计、外围器件的选择、试验电路板的设计等内容。

　　软件设计则包括软件编写和仿真调试。

　　仿真是单片机开发的一个非常重要的环节，除了一些较简单的任务，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行程序调试及硬件排错。现在普遍采用基于Windows的单片机集成开发系统( IDE)进行单片机应用程序的开发，它是指将编辑、编译，汇编、连接、调试等开发单片机所要用到的程序集成到一个系统软件中，如德国Keil公司的Keil、南京万利电子公司( Manley)的MedWin等。

　　由于一方面硬件实验装置投资较大，另一方面又由于初学者（如学生）在实验过程中对实验装置的破坏力较强而可能导致设备故障，因此在资金、硬件不足的情况下，可采用单片机数字实验室的方法开展实验和设计（只需在PC上即可完成工作）。

　　一、单片机应用软件仿真开发过程
　　
　　1．编写源程序
　　
　　源程序的编写应尽量采用功能化、模块化以及子程序调用等方法，可采用汇编语言或高级语言（如C语言）来编写源程序。对于初学者，采用汇编语言编程，可加深对硬件知识的掌握。汇编语言是一种常用的软件工具，其特点是能直接操作硬件，指令的执行速度快，可控制单片机工作的每一步。

　　但汇编语言的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序不但周期长，而且调试和排错也比较困难。随着单片机硬件性能的提高，其工作速度越来越快，因此在编写单片机应用程序时，更着重于程序本身的编写效率。为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，采用C语言无疑是一种较好的选择。C语言是一种通用的计算机程序设计语言，既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，以往采用汇编语言来解决的问题现在一般都可以改用C语言来解决。

　　源程序文件是一般的文本文件，可采用EDIT、CCED、UltraEDIT、Windows记事本或Keil内嵌编辑器来编写。需要指出的是，Keil软件对汉字的支持不好，建议采用其它文本编辑器（如UltraEDIT-32）进行源程序的输入。

　　2．编译/汇编源程序
　　
　　汇编语言源程序文件的扩展名是asm（如用Keil软件，在其编辑器中编写的汇编源程序文件扩展名又可为.a51），C语言源程序文件的扩展名是．c。要将编写的.asm源程序转变成CPU可以执行的机器码，可采用手工汇编和机器汇编的方法。目前手工汇编的方法已被淘汰。机器汇编是指通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件早期有A51。目前流行的Keil软件（或MedWin软件）通过编译软件（编译器）对C语言源程序进行编译，通过汇编软件（汇编器）对汇编语言源程序进行汇编，连接目标模块和库模块产生目标代码，生成．hex（十六进制）或．bin（二进制）目标文件。

　　3．仿真调试
　　
　　编译/汇编通过只是说明源程序没有语法错误，至于源程序中存在的其它错误，往往还需要通过反复的仿真调试才能发现。所谓仿真即是对目标样机进行排错、调试和检查，一般分为硬件仿真和软件仿真两种。

　　硬件仿真是通过仿真器（仿真机）与目标样机联机进行实时在线仿真，见下图所示。一块单片机应用电路板包括单片机部分及为达到使用目的而设计的应用电路。硬件仿真就是利用仿真器来代替应用电路板（称目标样机）的单片机部分，由仿真器向目标样机的应用电路部分提供各种信号、数据进行测试、调试的方法。这种仿真可以通过单步执行、连续执行等多种方式来运行程序，并能观察到单片机内部的变化，便于修改程序中的错误。下图中，将仿真插头插到电路板上的单片机插座上，此时可将仿真器看作是一个独立的单片机，通过运行PC上的仿真软件（如Keil软件）．使目标样机处于一个真实的工作环境之中，可模拟开发单片机的各种功能。一般高校中的单片机实验都是采用如下图所示的仿真方法。显然这种仿真因为需要仿真器、电路板等硬件装置而显得投资较大。

　　软件仿真是指在PC上运行仿真软件来实现对单片机的硬件模拟、指令模拟和运行状态模拟，故这种仿真方法又称为软件（程序）模拟调试。它不需要硬件，简单易行，可采用Keil、MedWin或8051DEBUG等软件进行模拟调试。软件仿真的缺点是不适用于实时性很强的单片机应用系统的调试，在实时性要求不高的场合，软件仿真已被广泛应用。

　　4．烧写（烧录）单片机
　　
　　仿真调试通过后，使用专门的编程器将、hex目标文件烧写到单片机（或外接）的可编程ROM中。编程器一般通过并口或串口与PC连接，具有相应的服务程序；在连接好PC与编程器后运行其服务程序，在服务程序中先选择所要编程的单片机型号，再调入前面所得到的．hex目标文件，编程器就将这个目标文件烧写到单片机中。烧写后再将单片机插入到电路板上相应的插座上，如符合设计要求，则完成工作。

　　二、Keil软件及其调试功能简介
　　
　　目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为uVision(通常称为μV2)。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器①、源程序编辑器②、程序调试器③，见下图）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接／定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

　　应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存一建立工程并添加源文件一设置工程一编译／汇编、连接，产生目标文件一程序调试。

　　Keil使用“工程”(Project)的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译／汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译／汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File-New...，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File-Open...，直接打开已用其它编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名．asm(．a51)或．c；然后选择菜单Project-NewProject...，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名．uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Targetl”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroupl，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroupl’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其它文件）。加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroupl”

　　前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Targetl，再选择Project-OptionforTarget‘Targetl’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项）．打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其它选项卡内容一般可取默认值。

　　工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译／汇编、连接以及产生目标文件。

　　成功编译／汇编、连接后，选择菜单Debug-Start/StopDebugSession（或按CTRI+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按Fll或选择Debug-Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug-StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug-InlineAssambly...），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译／汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理(Debug-Insert/RemoveBreakpoint或Debug-Breakpoints--等)。在模拟调试程序后，还须通过编程器将．hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

　　Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

　　三、51单片机数字实验室的应用实例
　　
　　运用Keil软件并结合数字外围器件只需在PC机上便可进行单片机实验（可称为数字实验室方式），下面以两个实例来说明运用Keil软件进行程序调试（软件模拟仿真）的过程。

　　例1：单片机(80C51)晶振频率为12MHz．利用TO方式0产生5ms的定时，在P1．O引脚上输出10ms的方波。

　　按前面所述方法步骤对源程序成功汇编、连接后按CTRl+F5键进入程序调试，再选择菜单Peripherals-I/O-Ports-Port1打开P1口参数窗口显示P1口状态，选择Peripherals-Timer-Timer0打开定时器TO窗口显示其参数；这里采用断点调试方式，在中断服务子程序第一行设置断点，出现红色标记，如下图所示。

　　点击调试工具栏上的Run（运行）按钮，程序执行到断点处停止，如连续点击运行则可从Portl窗口观察到P1.0引脚电平值的变化(1-0-1-…)，而此时Regs（寄存器）窗口中的sec值即为定时时间（按5ms幅度递增，会有误差）。

　　显然该例需要实验者根据P1口(P1.0)的值来对输出的方波进行想象，并不直观。

　　例2：数字实验仿真板的应用：流水灯实验。

　　针对Keil的软件仿真器，有人提出了利用VC++编写动态链接库仿真单片机外围器件的思路和方法；另有人设计开发了几个外围器件数字实验仿真板，这些实验仿真板相当于是Keil uVersion2仿真环境下的dll插件。如键盘、LED显示实验仿真板( ledkey．dll)、带有数码管的实验仿真板( simboard．dll)等，见下图所示。

　　以ledkey仿真板为例，它采用Atme189C51单片机(含有4kBFLASHROM)作为主芯片，P1引脚上接8个发光二极管，P3.2-3.5引脚上接4个按钮开关。安装数字仿真实验板时只需将实验仿真板文件(+．dll)复制到Keil软件的KeihC51\Bin文件夹即可。在使用实验仿真板之前还需对工程进行设置，先选择工程管理窗口的Targetl．再选择Project-Option for Target 'Targetl’，打开对话框，选择Debug选项卡，在其左下角的Parameter文本框中输入“-d”和文件名，如使用ledkey．dll实验仿真板，就输入“-dledkey”（整个文本框内容为：-p51 -dledkey），然后点确定即可。进入程序调试后点击菜单Peripherals．就会看到多出一项“键盘LED仿真板(K)”，选择该项，就会出现下图所示ledkey实验仿真板界面。

　　流水灯实验是最常见的单片机实验之一，这里我们要实现用单片机控制下图1edkey仿真板上8个LED依次循环发光。应用Keil软件，按照步骤进入程序调试状态，并点击菜单Peripherals打开ledkey仿真板，然后运行程序，可通过观察仿真板上灯光的变化，检查程序的正确与否，非常形象生动，而不必再依靠对Pl口的值进行观察想象，有助于初学者对单片机基本知识的掌握和激发学习的热情。