《單片機原理及應(yīng)用 》課件-第1章

第1章緒論1.1電子計算機概述1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程1.5KeilμVision4仿真軟件介紹

任務(wù)1-1KeilμVision4軟件仿真:點亮單片機P1.0口的LED第1章緒論1.6Proteus電路仿真軟件介紹

任務(wù)1-2Proteus軟件仿真:點亮單片機P1.0口的LED本章小結(jié)習(xí)題

1.1電子計算機概述

1.1.1電子計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)計算機已成為人類學(xué)習(xí)、工作中不可缺少的工具。在學(xué)習(xí)計算機的基本操作之前,首先要了解計算機的發(fā)展史、計算機的特點、計算機的分類以及計算機的應(yīng)用和工作原理,掌握計算機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的組成。

世界上第一臺真正意義上的數(shù)字計算機于1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生,取名為電子數(shù)值積分計算機(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,ENIAC),如圖1－1所示。ENIAC奠定了計算機的發(fā)展基礎(chǔ),在計算機發(fā)展史上具有劃時代的意義,被公認(rèn)為計算機的始祖,它的問世標(biāo)志著計算機時代的到來,對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。圖1－1ENIAC計算機

目前,計算機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到科研、教育、醫(yī)藥、工商、政府、家庭等領(lǐng)域,應(yīng)用類型主要包括科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、辦公自動化(OA)、電子商務(wù)(EB)、過程控制、計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助教學(xué)(CAI)、計算機輔助制造(CAM)、人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實、多媒體技術(shù)應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)通信等。根據(jù)計算機的性能和使用的主要元器件的不同,一般將計算機的發(fā)展分成四個階段:

?電子管計算機(第一代計算機):發(fā)展時間為從1947年到1957年的近11年的時間,其采用電子管作為主要的邏輯元件,應(yīng)用在科學(xué)計算和軍事等方面。主要特點:存儲量小,

體積龐大,價格昂貴,功耗巨大,運算速度慢。

?晶體管計算機(第二代計算機):發(fā)展時間為從1958年到1964年的近7年的時間,其采用晶體管作為主要的邏輯元件。晶體管計算機的主存儲器還是用磁芯,外存儲器開始用磁盤。主要特點:存儲量增加,運算速度得到了明顯的提高。

?集成電路計算機(第三代計算機):發(fā)展時間為從1965年到1970年的近6年的時間,其采用中、小規(guī)模集成電路代替分立元件晶體管。這時,計算機開始廣泛應(yīng)用于大型企業(yè)中的工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算等各個領(lǐng)域。

?大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路計算機(第四代計算機):發(fā)展時間為從1971年直到現(xiàn)在。主要特點:集成程度更高,計算機更加微型化,運算速度達到每秒上億次,計算機的外部設(shè)備向高性能、多樣化發(fā)展,軟盤和硬盤得到推廣。

美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·依曼(

JohnvonNeumann)于1946年提出了計算機設(shè)計的三個

基本思想:

?計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個基本部分組成。

?采用二進制形式表示計算機的指令和數(shù)據(jù)。

?將程序(由一系列指令組成)和數(shù)據(jù)存放在存儲器中,計算機依次自動地執(zhí)行程序。

馮·諾依曼設(shè)計的計算機工作原理是將需要執(zhí)行的任務(wù)用程序設(shè)計語言寫成程序,與需要處理的原始數(shù)據(jù)一起通過輸入設(shè)備輸入并存儲在計算機的存儲器中,即“程序存儲”;

在需要執(zhí)行時,由控制器取出程序并按照程序規(guī)定的步驟或用戶提出的要求,向計算機的有關(guān)部件發(fā)布命令并控制它們執(zhí)行相應(yīng)的操作,執(zhí)行的過程不需要人工干預(yù),自動連續(xù)進

行,即“程序控制”。馮·諾依曼提出“程序存儲”和“二進制運算”的思想,構(gòu)建了計算機經(jīng)典結(jié)構(gòu),如圖1－2所示。圖1－2計算機經(jīng)典結(jié)構(gòu)

從圖1－2中可見,計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)由五個部分組成。

(1)控制器。控制器是整個計算機的指揮控制中心,它從存儲器取出相應(yīng)的控制信息,經(jīng)過分析后,按照要求向其他的設(shè)備發(fā)出控制信號,使計算機中的各部件正常協(xié)調(diào)地工作。

(2)運算器。運算器是計算機中的數(shù)據(jù)處理場所。大量數(shù)據(jù)的運算和處理工作就是在運算器中完成的。運算主要包括基本算術(shù)運算和基本邏輯運算。

(3)存儲器。存儲器在計算機中用來存放中間數(shù)據(jù)和程序運行結(jié)果,并可根據(jù)指令要求提供給有關(guān)設(shè)備使用。計算機中的存儲器可分為主存儲器(內(nèi)存)、輔助存儲器(外存)和高速緩沖存儲器。

(4)輸入設(shè)備。輸入設(shè)備的主要作用是把程序和數(shù)據(jù)等信息轉(zhuǎn)換成計算機所能識別的編碼形式,并按順序送到內(nèi)存。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、數(shù)碼相機等。

(5)輸出設(shè)備。輸出設(shè)備的主要作用是把計算機處理的數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等內(nèi)部信息轉(zhuǎn)換成人們所能識別的文字、圖形、圖像和聲音等信息并輸出。

1.1.2微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài)

1.微型計算機的組成

一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成,如圖1－3所示。計算機控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ),而整個計算機系統(tǒng)的動作都是在軟件的指揮下

協(xié)調(diào)進行的,因此說軟件是計算機控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計算機運行和控制效果的好壞、硬件功能的充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。圖1－3計算機系統(tǒng)組成

1)硬件系統(tǒng)

計算機硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計算機的所有實體部件的集合,通常這些部件由電路(電子元件)、機械等物理部件組成,它們都是看得見摸得著的,故通常稱為硬件,它是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。絕大多數(shù)計算機都是根據(jù)馮·諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的思想來設(shè)計的,故具有共同的基本配置,即由五大部件組成。

2)軟件系統(tǒng)

利用電子計算機進行計算、控制或做其他工作時,需要應(yīng)用各種用途的程序。所謂軟件,是指為運行、維護、管理、應(yīng)用計算機所編制的所有程序及文檔的總和。計算機軟件一般分為兩大類:系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件

(1)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)等功能,其目的是方便用戶,提高計算機使用效率,擴充系統(tǒng)的功能。

(2)應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是用戶利用計算機來解決某些問題所編制的程序,如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學(xué)計算程序等。

隨著計算機的廣泛應(yīng)用,這類程序的種類越來越多。

2.微型計算機的應(yīng)用形態(tài)

1971年1月,英特爾公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺式計算器時,將原始方案的十幾個芯片壓縮成3個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù),另一芯片集成了運算器和控制器(即CPU),稱為微處理器。微處理器、存儲器和I/O接口電路構(gòu)成微型計算機,各部分通過地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)相連,如圖14所示。在微型計算機基礎(chǔ)上,再配以系統(tǒng)軟件、I/O設(shè)備便構(gòu)成了完整的微型計算機系統(tǒng),人們將其簡稱為微型計算機(微機)。圖1－4微型計算機的組成

從應(yīng)用形態(tài)上,微型計算機可以分成兩種:多板機(系統(tǒng)機)和單片機(嵌入式系統(tǒng))。

(1)多板機(系統(tǒng)機)。多板機將微處理器、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板(即微機主板)上,再通過系統(tǒng)總線和其他多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示

器、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上,并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi),再配上系統(tǒng)軟件,就構(gòu)成了一臺完整的微型

計算機系統(tǒng),簡稱多板(系統(tǒng))機。

目前人們廣泛使用的個人計算機(PC)就是典型的多板

機。由于其人機界面好、功能強、軟件資源豐富,通常用于辦公或家庭的事務(wù)處理及科學(xué)計算,屬于通用計算機,如圖1－5所示。

圖1－桌面應(yīng)用微機

(2)單片機(嵌入式系統(tǒng))。單片機是指以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng),

如圖1－6所示。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成。它具有“嵌入性”、“專用性”和“計算機系統(tǒng)”三個基本要素。

嵌入式應(yīng)用計算機可以分為:ARM系列、DSP(

TMS320系列)、單片機(C51系列)和嵌入式片上系統(tǒng)SoC。

圖1－6嵌入式應(yīng)用微機

1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品

1.2.1單片機的發(fā)展過程1.單片機形成階段1976年,Intel推出MCS48系列單片機。性能:8位CPU;1KB程序存儲器ROM;64B數(shù)據(jù)存儲器RAM;27根I/O接口線;1個8位定時器/計數(shù)器和2個中斷源。

特點:首先完成了在單個芯片內(nèi)集成CPU、存儲器、I/O接口等部件;但存儲器容量小,尋址范圍小(不大于4K),無串行口,指令系統(tǒng)功能不強。

2.單片機結(jié)構(gòu)成熟階段

1980年,Intel推出MCS51系列單片機。

性能:8位CPU;4KB程序存儲器ROM;128B數(shù)據(jù)存儲器RAM;32根I/O接口線;2個8位定時器/計數(shù)器;5個中斷源和2個優(yōu)先級;1個全功能串行口。

特點:存儲器容量大,尋址范圍擴大(64K),指令系統(tǒng)功能強大。

現(xiàn)在,MCS51已成為公認(rèn)的單片機經(jīng)典產(chǎn)品。

3.單片機性能提高階段

近幾年,Intel推出MCS51高性能系列單片機,如C8051F120。

性能:8位高速CPU(100MIPS);128KB程序存儲器ROM(Flash);8KB數(shù)據(jù)存儲RAM;5個8位定時器/計數(shù)器;20個中斷源;8個8位并行I/O口、2個UART,另有SMBus和SPI總線接口;增益可編程8路12位ADC、2路12位DAC;1個全功能串行口。

特點:片上接口豐富,控制能力突出,芯片型號種類繁多。

1.2.2單片機產(chǎn)品近況

1.80C51系列單片機產(chǎn)品繁多,主要地位已經(jīng)形成

8051系列單片機指的是MCS－51系列和其他公司的8051派生產(chǎn)品。這些派生產(chǎn)品是在基本型基礎(chǔ)上增強了各種功能的產(chǎn)品,如高級語言型、Flash型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型、專用接口型和雙控制器串行通信型等。Atmel公司的AT89系列單片機把8051內(nèi)核與其Flash專利存儲技術(shù)相結(jié)合,具有較高的性價比。

Philips公司具有豐富的外圍部件,是8051系列單片機品種最多的生產(chǎn)廠家。Dallas公司和Infineon公司的單片機增加了數(shù)據(jù)指針和運算能力。ADI公司和TI公司把ADC、DAC和8051內(nèi)核結(jié)合起來,推出了微轉(zhuǎn)換器系列芯片。Cypress公司把8051內(nèi)核和USB接口結(jié)合起來,推出了USB控制器芯片。SiliconLabs公司的片上系統(tǒng)(SystemofChip,SoC)單片機C8051F系列改進了8051內(nèi)核,具有JTAG接口,可實現(xiàn)在線下載和調(diào)試程序。目前這些增強型8051系列產(chǎn)品都基于CMOS工藝,故又稱80C51系列。它們給8位單片機注入了新的活力,為它的開發(fā)應(yīng)用開拓了更加廣泛的前景。

2.非80C51結(jié)構(gòu)單片機不斷推出,給用戶提供廣泛的選擇空間

具有代表性的非80C51產(chǎn)品有由Microchip公司推出的PIC系列單片機(品種多便于選型,如汽車附屬產(chǎn)品);由TI公司推出的MSP430F系列單片機(16位,低功耗,如電池供電

產(chǎn)品);由Atmel公司推出的AVR和ATmega系列單片機(不易解碼,如軍工產(chǎn)品)。

1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域

1.3.1單片機的特點1.突出的控制性能用單片機設(shè)計的產(chǎn)品可靠性較高,CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片上,數(shù)據(jù)傳送不易受運行環(huán)境的影響;控制功能強,CPU可以對I/O端口直接進行操作,位控制能力更是其他計算機無法比擬的。

?新產(chǎn)品單片機各個功能進一步增強;

?內(nèi)部集成高速I/O、ADC、PWM、WDT等部件;

?低電壓、低功耗、網(wǎng)絡(luò)、在線編程功能增強。

2.優(yōu)秀的嵌入品質(zhì)

?單片機價格低廉———適用于大批量、低成本的產(chǎn)品設(shè)計;

?單片機品種和型號多———適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域;

?單片機的引腳少、體積小———應(yīng)用系統(tǒng)的印制板(PCB)減小,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精巧。

1.3.2單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

由于單片機具有良好的控制性能和靈活的嵌入品質(zhì),近年來在各種領(lǐng)域都獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

1.智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表,一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度,使儀器儀表智能化,同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu),從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。典型產(chǎn)品有各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。

2.機電一體化產(chǎn)品

機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體,具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典

型產(chǎn)品有機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復(fù)印機等。

3.實時工業(yè)控制

單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中,利用單片機作為系統(tǒng)控制器,可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法,實現(xiàn)期望的控制指標(biāo),從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用有電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。

4.分布系統(tǒng)的前端模塊

在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中,經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中,采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊,系統(tǒng)具有運行可靠,數(shù)據(jù)采集方便靈活,成本低廉等一系列優(yōu)點。

5.家用電器

家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域,前景十分廣闊。典型產(chǎn)品有空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。另外,在交通領(lǐng)域中,汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應(yīng)用,如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等。

1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程

單片機應(yīng)用系統(tǒng)是指以單片機芯片為核心,配以一定的外圍電路和軟件,能實現(xiàn)要求功能的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工作主要包括應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和單片機控制程序的設(shè)計兩個部分,其中又以單片機控制程序的設(shè)計為核心。

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計完成之后,還應(yīng)配備相應(yīng)的應(yīng)用軟件。正確無誤的硬件設(shè)計和良好的軟件功能設(shè)計是一個實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。完成這一目標(biāo)

的過程稱為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。雖然單片機的硬件選型不盡相同,軟件編寫也千差萬別,但系統(tǒng)的研制步驟和方法是基本一致的,一般都分為總體設(shè)計、硬件電路的構(gòu)思設(shè)計、

軟件的編制和仿真調(diào)試幾個階段。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1－7所示。

1.設(shè)計原則

一般來說,單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計原則是:

?系統(tǒng)功能應(yīng)滿足生產(chǎn)要求;

?系統(tǒng)運行應(yīng)安全可靠;

?系統(tǒng)具有較高的性能價格比;

?系統(tǒng)易于操作和維護;

?系統(tǒng)功能應(yīng)靈活,便于擴展;

?系統(tǒng)具有自診斷功能;

?系統(tǒng)能與上位機通信或并用。圖1－7單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程

2.可行性分析

設(shè)計者在開始單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)之前,除了需要掌握單片機的硬件開發(fā)及程序設(shè)計方法外,還需要對整個系統(tǒng)進行可行性分析和系統(tǒng)總體方案分析。這樣,可以避免因盲目

地工作而浪費寶貴的時間。可行性分析用于明確整個設(shè)計任務(wù)在現(xiàn)有的技術(shù)條件和個人能力上是可行的。

首先,要保證設(shè)計要求可以利用現(xiàn)有的技術(shù)來實現(xiàn)。一般可以通過查找相關(guān)文獻、尋找類似設(shè)計等方法找到與該任務(wù)相關(guān)的設(shè)計方案。這樣可以參考這些相關(guān)的設(shè)計,分析該

項目是否可行以及如何實現(xiàn)。如果設(shè)計的是一個全新的項目,則需要了解該項目的功能需求、體積和功耗等,同時需要對當(dāng)前的技術(shù)條件和器件性能非常熟悉,以確保合適的器件能夠完成所有的功能。

其次,需要了解是否具備整個項目開發(fā)所需要的知識。如果不具備,則需要估計在現(xiàn)有的知識背景和時間限制下能否掌握并完成整個設(shè)計。必要的時候,可以選用成熟的開發(fā)

板來加快學(xué)習(xí)和程序設(shè)計的速度。

3.確立方案

完成可行性分析后,便進入系統(tǒng)總體方案設(shè)計階段。設(shè)計者可參考前面可行性分析中查找到的相關(guān)資料及本系統(tǒng)的應(yīng)用要求和現(xiàn)有條件,初步規(guī)劃本設(shè)計所采用的器件以及實

現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)。接著,制定合理的時間計劃表,編寫設(shè)計的任務(wù)書,從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計。

4.機型選擇

機型選擇時應(yīng)注意以下事項:

?仔細(xì)調(diào)查市場,盡量選用主流的、貨源充足的單片機型號,這些器件使用的比較廣泛,有許多設(shè)計資料供學(xué)習(xí)或參考。

?盡量選擇所需的硬件資源,如ADC、DAC、I

2C、SPI和USB等集成在單片機內(nèi)部的型號,這樣便于整個控制系統(tǒng)的軟件管理,減少外部硬件的投入,縮小整體電路板面積,從而減少總體投資等。

?對于手持式設(shè)備、移動設(shè)備等需要低功耗設(shè)備,盡量選擇低電壓、低功耗單片機型號,這樣可以減少能量的消耗,延長設(shè)備的使用壽命。

?在資金等條件允許的情況下,盡量選擇功能豐富、擴展能力強的單片機,這樣便于以后的功能升級和擴展。

?對于體積有限制的產(chǎn)品,盡量選擇貼片封裝的單片機型號,這樣可以減少電路板面積,從而降低硬件成本,同時也有助于電磁兼容設(shè)計。

5.硬件設(shè)計

硬件設(shè)計中應(yīng)考慮以下事項:

?根據(jù)設(shè)計需要選擇合適的單片機型號;

?存儲器電路設(shè)計;

?設(shè)計系統(tǒng)中的接口電路;

?系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計應(yīng)適當(dāng)留有余地;

?充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力;

?應(yīng)用系統(tǒng)中要實現(xiàn)工程的可靠性能要求。

6.軟件設(shè)計

軟件編制時應(yīng)注意以下幾個方面:

?根據(jù)軟件功能要求,將系統(tǒng)軟件分成若干個相對獨立的部分;

?建立正確的數(shù)學(xué)模型;

?編寫應(yīng)用軟件之前,應(yīng)繪制出程序流程圖;

?合理分配系統(tǒng)資源;

?加強軟件抗干擾設(shè)計。

7.仿真調(diào)試

單片機程序在實際使用前,一般均需要進行代碼仿真。單片機仿真調(diào)試和程序設(shè)計是緊密相關(guān)的。在實際設(shè)計過程中,通過仿真調(diào)試,可以及時發(fā)現(xiàn)問題,確保模塊及程序的正確性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時,需要重新修改設(shè)計,直到程序通過仿真調(diào)試。單片機程序的仿真調(diào)試需要考慮以下幾點:

?對于模塊化的程序,可以通過仿真調(diào)試的方法單獨調(diào)試每一個模塊的功能是否正確;

?對于通信接口,如串口等,可以在仿真程序中調(diào)試通信的流程;

?通過仿真調(diào)試可以預(yù)先了解軟件的整體運行情況是否滿足要求;

?要選擇一個好的程序編譯仿真環(huán)境,如Keil公司的μVision系列、英國LabcenterElectronics公司的Proteus軟件等;

?選擇一款和單片機型號匹配的硬件仿真器,硬件仿真一般支持在線仿真調(diào)試,可以實時觀察程序中的各個變量,最大程度上對程序進行調(diào)試。

完成這一在線仿真工作的開發(fā)工具就是單片機在線仿真器。一個典型的單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境組成如圖1－8所示。圖1－8單片機系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境組成

1.5KeilμVision4仿真軟件介紹

1.KeilμVision4仿真軟件工作界面KeilμVision4的安裝方法與一般軟件的安裝方法相同。安裝完成后將在Windows桌面生成一個KeilμVision4圖標(biāo)。單擊【開始】→【程序】→【KeilμVision4】即可運行μVision4;也可雙擊KeilμVision4圖標(biāo)運行該軟件。KeilμVision4的工作界面如圖1－9所示。圖1－9KeilμVision4的工作界面

2.KeilμVision4仿真軟件調(diào)試界面

μVision4中集成了一種新型調(diào)試器(Debug),它可以進行純軟件模擬仿真和硬件目標(biāo)板在線仿真,使用之前應(yīng)進行適當(dāng)配置。單擊【Project】→【OptionsforTarget】,彈出如圖1－10所示窗口。點擊【Debug】標(biāo)簽頁,在該頁中選中圓形單選框【UseSimulator】,即采用軟件模擬方式進行仿真?？梢栽跊]有任何實際8051單片機硬件的條件下,僅用一臺普通的PC實現(xiàn)對8051應(yīng)用程序的仿真調(diào)試。在創(chuàng)建用戶項目的時候通過內(nèi)部器件庫選定一種CPU器件,μVision4會根據(jù)所選定的CPU器件自動設(shè)置能夠仿真的單片機片內(nèi)集成功能。圖1－10【Debug】配置窗口

【Debug】選項配置完且項目編譯通過后,單擊【

Debug】→【Start/StopDebugSession】選項,即可啟動Debug開始調(diào)試。啟動Debug后,μVision4項目窗口分配如圖1－11所示。項目窗口(寄存器窗口)自動切換到【Debug】標(biāo)簽頁,用于顯示程序調(diào)試過程中單片機內(nèi)部寄存器狀態(tài)的變化情況。主調(diào)試窗口(程序窗口)用于顯示用戶源程序。窗口左邊的小箭頭指向當(dāng)前程序語句,每執(zhí)行一條語句,小箭頭會自動向后移動,以便于觀察程序當(dāng)前執(zhí)行點。如果用戶創(chuàng)建的項目中包含多個程序文件,執(zhí)行過程中將自動切換到不同文件顯示。

命令窗口用于鍵入各種調(diào)試命令。存儲器窗口用于顯示程序調(diào)試過程中單片機的存儲器狀態(tài)。觀察窗口(變量窗口)用于顯示局部變量和觀察點的狀態(tài)。此外在主調(diào)試窗口位置還可以顯示反匯編窗口、串行窗口以及性能分析窗口,通過單擊【View】菜單中的相應(yīng)選項(或單擊工具條中的相應(yīng)按鈕),可以很方便地實現(xiàn)窗口切換。

圖1－11調(diào)試狀態(tài)下μVision4項目窗口分配

任務(wù)1－1KeilμVision4軟件仿真:點亮單片機

P1.0口的LED

任務(wù)目的熟悉KeilμVision4軟件操作。任務(wù)準(zhǔn)備設(shè)備及軟件:計算機、KeilμVision4軟件。

任務(wù)實施

1.建立一個工程項目

如圖1－12所示,單擊主菜單中的【Project】選項,在彈出的下拉菜單中選擇【NewμVisionProject】選項。此時,彈出如圖1－13所示的對話框,在文件名中輸入一個項目名“

LED”,選擇保存路徑,單擊【保存】按鈕。圖1－12新建一個工程項目圖1－13保存工程項目

2.選擇芯片

在彈出的【SelectDeviceforTarget’Target1’】(為目標(biāo)Target1選擇設(shè)備)對話框中單擊Atmel前面的[+]號,展開單片機型號清單,選擇單片機芯片型號【AT89C52】,如圖

1－14所示。單擊【OK】按鈕,系統(tǒng)將返回主界面。圖1－14單片機芯片型號的選擇

3.建立源程序文件

單擊主菜單中的【File】選項,在彈出的下拉菜單中選擇【New】選項,再在彈出的對話框的文件編輯窗口中輸入源程序,如圖1－15所示。給該文件取名,取名時必須要加上擴展名“.c”,如“LED.c”。圖1－15輸入源程序

4.添加源程序文件到當(dāng)前項目組中

要將源程序文件加入到項目組中,需單擊【Project】中【Target1】前的【+】號,出現(xiàn)“SourceGroup1”后再單擊,加亮后右擊。在彈出的下拉列表中選擇【AddExistingFilestoGroup’SourceGroup1’】,如圖1－16所示,再在彈出的對話框中選擇剛才以C格式編輯的文件

“LED.c”。單擊【Add】按鈕,這時“LED.c”文件便加入到“SourceGroup1”這個項目組中了。圖1－16添加源程序文件到項目組中

5.屬性設(shè)置

單擊主菜單中的【Project】選項,在彈出的下拉菜單中選擇【OptionsforTarget’Target1’】選項,彈出如圖1－17所示的對話框,點擊【Target】選項卡,在【Xtal(MHz)】文本框中輸入“11.0592”(此處軟件默認(rèn)值為33MHz)。圖1－17【OptionsforTarget’Target1’】對話框

單擊【Output】選項卡,勾選【CreateHEXFile】復(fù)選框,如圖1－18所示。其他采用默認(rèn)設(shè)置,然后單擊【OK】按鈕。圖1－18【Output】選項卡

單擊【Debug】選項卡,選中【UseSimulator】單選項,如圖1－19所示,再單擊【OK】按鈕。圖1－19【Debug】選項卡

6.編譯文件

點擊【Project】→【Rebuildalltargetfiles】,對寫好的程序進行編譯,如圖1－20所示。圖1－20工程編譯

7.調(diào)試模式

點擊【Debug】→【Start/StopDebugSession】,進入調(diào)試模式,如圖1－21所示。圖1－21調(diào)試模式

8.觀察仿真結(jié)果

【Peripherals】菜單第二欄中的【I/OPorts】選項用于仿真8051單片機的并行I/O接口Port0~Port3。選中【Port1】后將彈出如圖1－22所示窗口,其中“P1”欄顯示8051單片機P1口鎖存器狀態(tài),“Pins”欄顯示P1口8個引腳的狀態(tài),仿真時它們各位的狀態(tài)可根據(jù)需要進行修改。圖1－22仿真結(jié)果

1.6Proteus電路仿真軟件介紹

Proteus是英國LabcenterElectronics公司研發(fā)的多功能EDA軟件,它具有功能很強的ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng),有非常友好的人機互動窗口界面,有豐富的操作菜單與工具。在ISIS編輯區(qū)中,能方便地完成單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、單片機源代碼級調(diào)試與仿真。

Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。Proteus有多達10余種的信號激勵源、10余種虛擬儀器(如示波器、邏輯分析

儀、信號發(fā)生器等);可提供軟件調(diào)試功能,即具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能,還有用來精確測量與分析的Proteus高級圖表仿真(ASF),它們構(gòu)成了單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真的完整的虛擬實驗室。Proteus同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如KeilC51μVision4等軟件。

Proteus還有使用極方便的印刷電路板高級布線編輯軟件(PCB)。特別指出,Proteus庫中數(shù)千種仿真模型是依據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)來建模的,因此,Proteus設(shè)計與仿真極其接近實際。目前,Proteus已成為流行的單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺,應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Proteus是單片機應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)的靈活、高效、正確的設(shè)計與仿真平臺,它明顯提高了研發(fā)效率,縮短了研發(fā)周期,節(jié)約了研發(fā)成本。

1.單片機應(yīng)用產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)

單片機應(yīng)用產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)過程一般分為以下三步:

?單片機系統(tǒng)原理圖設(shè)計,選擇、購買元器件和接插件,安裝和電氣檢測等硬件設(shè)計;

?進行單片機系統(tǒng)程序設(shè)計,調(diào)試、匯編編譯等軟件設(shè)計;

?單片機系統(tǒng)在線調(diào)試、檢測,實時運行直至完成單片機系統(tǒng)綜合調(diào)試。

2.單片機應(yīng)用產(chǎn)品的Proteus開發(fā)

?在Proteus平臺上進行單片機系統(tǒng)電路設(shè)計,選擇元器件,接插件,連接電路和電氣檢測等(簡稱Proteus電路設(shè)計);

?在Proteus平臺上進行單片機系統(tǒng)源程序設(shè)計、編輯、匯編編譯、調(diào)試,最后生成目標(biāo)代碼文件(*.hex)(簡稱Proteus軟件設(shè)計);

?在Proteus平臺上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機系統(tǒng)中,并實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的實時交互、協(xié)同仿真(簡稱Proteus仿真);

?仿真正確后,制作、安裝實際單片機系統(tǒng)電路,并將目標(biāo)代碼文件(*.hex)下載到實際單片機中運行、調(diào)試,若出現(xiàn)問題,可和Proteus設(shè)計與仿真相互配合調(diào)試,直至運行成功(簡稱實際產(chǎn)品安裝、運行與調(diào)試)。

3.工作界面介紹

ProteusISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面,如圖1－23所示,包括主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真控制按

鈕、圖形編輯窗口、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口等。圖1－23ProteusISIS的工作界面

下面只有針對性地介紹幾個區(qū)域和圖形編輯的基本操作。

1)圖形編輯窗口

在圖形編輯窗口內(nèi)完成電路原理圖的編輯和繪制。

(1)坐標(biāo)系統(tǒng)。ISIS中坐標(biāo)系統(tǒng)的基本單位是10nm。但坐標(biāo)系統(tǒng)的識別單位被限制在1th。坐標(biāo)原點默認(rèn)在圖形編輯區(qū)的中間,圖形的坐標(biāo)值能夠顯示在屏幕的右下角的狀

態(tài)欄中。

(2)點狀柵格與捕捉到柵格。編輯窗口內(nèi)有點狀的柵格,可以通過【View】菜單的【Grid】命令在打開和關(guān)閉間切換。點與點之間的間距由當(dāng)前捕捉的設(shè)置決定。捕捉的尺

度可以由【View】菜單的【Snap】命令設(shè)置。如圖1－24所示,選中【View】菜單的【Snap100th】命令。此時鼠標(biāo)在圖形編輯窗口內(nèi)移動時,坐標(biāo)值以固定的步長100th變化,這稱為捕捉。

圖1－24【View】菜單

(3)實時捕捉。當(dāng)鼠標(biāo)指針指向管腳末端或者導(dǎo)線時,鼠標(biāo)指針將會捕捉到這些物體,這種功能被稱為實時捕捉,該功能可以方便地實現(xiàn)導(dǎo)線和管腳的連接。可以通過【Tools】菜單的【RealTimeSnap】命令切換該功能。

(4)視圖的縮放與移動?？梢酝ㄟ^以下幾種方式對視圖進行縮放和移動:

?用鼠標(biāo)左鍵點擊預(yù)覽窗口中想要顯示的位置,這將使編輯窗口顯示以鼠標(biāo)點擊處為中心的內(nèi)容。

?在編輯窗口內(nèi)移動鼠標(biāo),按下鍵盤的Shift鍵,用鼠標(biāo)移動到邊框,這會使顯示平移。

?用鼠標(biāo)指向編輯窗口并按縮放鍵或者操作鼠標(biāo)的滾動鍵,會以鼠標(biāo)指針位置為中心重新顯示。

2)預(yù)覽窗口

預(yù)覽窗口通常顯示整個電路圖的縮略圖。在預(yù)覽窗口上點擊鼠標(biāo)左鍵,將會有一個藍(lán)色矩形框標(biāo)示出在編輯窗口中顯示的區(qū)域。當(dāng)鼠標(biāo)焦點落在原理圖編輯窗口時(即放置元件到原理圖編輯窗口后或在原理圖編輯窗口中點擊鼠標(biāo)后),它會顯示整張原理圖的縮略圖,并會顯示一個綠色的方框,綠色的方框里面的內(nèi)容就是當(dāng)前原理圖窗口中顯示的內(nèi)容,因此,可用鼠標(biāo)在它上面點擊來改變綠色方框的位置,從而改變原理圖的可視范圍。

3)對象選擇器窗口

通過對象選擇按鈕,從元件庫中選擇對象,并置入對象選擇器窗口,供今后繪圖時使用。顯示對象的類型包括:設(shè)備、終端、管腳、圖形符號、標(biāo)注和圖形。

4)圖形編輯的基本操作

(1)對象放置。放置對象的步驟如下:

①根據(jù)對象的類別在工具箱選擇相應(yīng)模式的圖標(biāo)。

②根據(jù)對象的具體類型選擇子模式圖標(biāo)。

?如果對象類型是元件、端點、管腳、圖形、符號或標(biāo)記,則從選擇器里選擇想要的對象的名字。對于元件、端點、管腳和符號,可能首先需要從庫中調(diào)出。

?如果對象是有方向的,將會在預(yù)覽窗口顯示出來,可以通過預(yù)覽對象方位按鈕對對象進行調(diào)整。

③指向編輯窗口并點擊鼠標(biāo)左鍵放置對象。

(2)選中對象。用鼠標(biāo)指向?qū)ο蟛Ⅻc擊右鍵可以選中該對象。該操作選中對象并使其高亮顯示,然后可以進行編輯。

·選中對象時該對象上的所有連線同時被選中。

·要選中一組對象,可以通過依次在每個對象上右擊選中每個對象的方式,也可以通過右鍵拖出一個選擇框的方式,但只有完全位于選擇框內(nèi)的對象才可以被選中。

·在空白處點擊鼠標(biāo)右鍵可以取消所有對象的選擇。

(3)刪除對象。用鼠標(biāo)指向選中的對象并點擊鼠標(biāo)右鍵可以刪除該對象,同時刪除該對象的所有連線。

(4)拖動對象。用鼠標(biāo)指向選中的對象并用鼠標(biāo)左鍵拖曳可以拖動該對象。

(5)調(diào)整對象的朝向。許多類型的對象可以將朝向調(diào)整為0°、90°、270°、360°,或通過X軸Y軸鏡像。當(dāng)該類型對象被選中后,圖標(biāo)會變?yōu)榧t色,之后就可以改變對象的朝向了。

(6)編輯對象。許多對象具有圖形或文本屬性,這些屬性可以通過一個對話框進行編輯。雙擊原理圖編輯區(qū)中的對象元件,彈出【EditComponent】對話框,可在對話框中進行

元件屬性設(shè)置。

(7)畫線。ProteusISIS沒有畫線的圖標(biāo)按鈕,因為ISIS的智能化足以在畫線時自動檢測。在兩個對象間連線,先用鼠標(biāo)左鍵單擊第一個對象連接點,再移動鼠標(biāo)到下一個對象連接點單擊確認(rèn)即可(如果想自己決定走線路徑,只需在拐點處點擊鼠標(biāo)左鍵即可)。在畫線過程的任何一個階段,都可以按Ese鍵放棄畫線。

任務(wù)1－2Proteus軟件仿真:點亮單片機

P1.0口的LED

任務(wù)目的熟悉Proteus軟件的操作。任務(wù)準(zhǔn)備設(shè)備及軟件:計算機、Proteus軟件。

任務(wù)實施

1.建立一個仿真工程項目

如圖1－12所示,單擊主菜單中【Project】選項,在彈出的下拉菜單中選擇【NewProject】選項。此時,彈出如圖1－13所示的對話框,在文件名中輸入一個項目名“LED”,選擇保存路徑,單擊【保存】按鈕。

2.添加元器件

單擊圖1－23中界面左側(cè)預(yù)覽窗口下面的【P】按鈕,彈出【PickDevices】(元件拾取)對