虚拟仿真技术在测控总线技术课程教学中的应用探索

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摘  要：介绍了测控总线技术课程的特点及目前教学中存在的问题。以三单片机简单接口通信系统设计为例，介绍了基于电路辅助设计软件Proteus的虚拟仿真技术在课程教学中的应用。虚拟仿真实验直观、灵活，且不受硬件和场地限制，可以将实验教学结合到课堂教学中去，有效激发学生学习兴趣，提高教学效果。

关键词：测控总线;虚拟仿真;Proteus;仪器通信

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）10-0078-03

Abstract： The characteristics and present problems of the course Measurement & Control Bus Technology is introduced in this paper. By taking the design of a communication system between three MCU chips as example， the application of virtual simulation technology based on Proteus software is presented. The demonstration of virtual simulation experiments is more intuitive and flexible that could integrate the experiment teaching into the classroom teaching. Students" motivation can be effectively inspired and the teaching effectiveness will be improved consequently.

Keywords： Measurement & Control Bus; virtual simulation; Proteus; instruments communication

當今时代，信息技术推动着过程控制系统与自动测试系统的飞速发展，其中通信技术帮助系统完成信息的传递，是系统各部件有机结合并实现高度集成的基础。测控总线与仪器通信技术使测控系统的各部分从独立的元器件发展到集成器件、个人仪器卡、嵌入式系统、多处理器自动化装置，再到集散控制系统和网络化虚拟仪器[1]。

测控总线技术是在此背景下面向测控技术与仪器专业开设的一门专业应用课程，课程围绕测控系统与仪器的通信技术，介绍了测控总线与仪器通信的一般原理和方法，课程主要讲授的通信技术包括三个层次：芯片级、板卡级与设备级，如图1。学生应通过该课程的学习，掌握芯片、板卡、设备、微机之间进行正确通信的方法，掌握硬件设计和软件编程，具有完成完整的仪器通信系统设计的能力。

图1 课程教学层次

一、课程授课特点和目前存在的问题

测控总线技术课程是在学生先修了电子类以及微机类课程之后学习的综合应用型课程，从应用角度出发，介绍常用总线的特点、设计过程和应用场合，一种总线即一个模块，因此具有应用综合度高、内容离散性强的特点。本课程开设时间较短，在目前教学过程中主要存在的问题有：

1. 目前的教学以课堂教学为主，并没有设置实践实训环节。受课时和硬件条件限制，实验环节也只能涵盖很少内容，而每一种总线技术都与应用息息相关，如果不结合应用实例介绍的话，很难保证学生真正学会运用知识的能力。

2. 课程从应用出发，介绍目前常用的各级通信方式，涉及内容较多，内容更新频率高，目前尚没有完全满足教学内容的教材，需要扩展教材外的设计实例介绍。现有教材在使用过程中，也发现设计中存在不少错误，有些错误比较直观，还有些是不经过实践测试就无法发现的纰漏，如果不能跟学生及时验证说明，也有可能对学生的学习和今后的应用造成混淆。

近年来为了提高教学质量和学习效果，一些虚拟仿真技术开始在课堂教学中广泛应用[2-4]，应用虚拟仿真实验可以将应用实例的运行情况形象地展示给学生，系统参数和模式的修改也容易实现，不受设备硬件的限制。学生在课堂上可以在个人电脑上进行设计，将实验教学的教师演示和学生动手操作全部融入课堂，打破课堂教学和实验教学的时间、场地界限。

本课程在教学实施中，也逐步将虚拟仿真技术引入课堂教学，芯片级通信系统的设计采用了Proteus与Keil软件联调的方式进行实时仿真，板卡级和设备级的通信则采用虚拟仪器工具LabVIEW来进行仿真设计，本文以课程中“简单接口通信”单元中的三单片机通信系统为例，介绍利用Proteus和Keil进行硬软件设计并进行联合调试的教学设计思路。

二、“三单片机通信”教学设计实例

在测控系统中，有时多点、多参数测量和控制需要由多个单片机协同完成，其中多个单片机之间的通信是系统设计的关键之一，本课程讲授的第一个应用实例就是三单片机通信系统的设计，采用的是最基本的简单接口技术，即利用单片机本身的接口实现通信。以MCS-51系列单片机为例，单片机本身有两种通信接口：并口和串口。其中并口的主要优点是速度快，而串口通信的主要优点是接口少，容易实现远距离传输[5]。为了掌握两种通信方式的软硬件设计，我们将A机和B机的通信设定为并行通信，B机和C机则采用串行通信。

（一）通信过程设计

以A机输入测量数据并将数据送B机和C机为例，为保证传输同步、数据传输可靠，通信双方需要了解对方的状态，因此A、B机之间利用Intel8255A来进行选通控制，B、C机之间的串口通信利用单片机串口发送/接收状态标志位了解传送状态，教材中给出的通信硬件电路通常为如图2的方式。

可以看出，通信示意图只是说明了三个单片机的位置关系、通信方式，并没有具体的硬件连接，无法形象地让学生确认其通信过程如何实现，是否有效;通信过程中的握手联络是保障通信成功的重要因素，这需要由软件来实现，此外教材中端口分配也出现了设计错误，这都需要通过软硬件联合设计并通过仿真验证让学生有更深刻的了解。

（二）硬件电路设计

在电路设计和仿真软件Proteus中完成电路原理图的设计，为了模拟数据传送的过程，在A机输入口连接按键序列，并行输入按键状态，按键的按下和断开会在对应端口输入低电平和高电平，在B机和C机的一组端口接数码管，将接收到的A机键盘状态驱动相应LED段码点亮和熄灭以验证是否实现正确传输。A机和B机之间利用Intel8255A的PA口的选通方式通信，A机用P2.6接8255A片选线，P2.2和P2.3接8255A的地址线A0和A1，P3.4接8255A的状态线PC3。B机和C机利用单片机的全双工串口通信，B机的TXD接C机的RXD，利用电路设计辅助软件Proteus设计的完整通信电路如图3。

（三）软件设计

根据前面提到的设计要求，要将A机P1端口输入的数据经8255A的PA口并行传输到B机，设置8255A 的PA口工作于双向选通方式，输出数据时，当A机把数据写入8255A，从PC7引脚送出输出缓冲器满信号，B机读取到这一信号，可以从P0口输入数据;B机和C机串口设置工作于方式1，B机通过判断串口发送中断标志TI判断数据是否发送成功，C机通过判断串口接收中断标志位RI判断何时可以接收数据。当B机成功把数据转送给C机之后，通过8255A的PC6告诉A机本次传送已完成，可以发送下一个字节。三个单片机的软件流程如图4。

（四）联合仿真

利用Keil UV4软件完成三个单片机的数据传输源程序编写，并编译生成.HEX文件，在Proteus中分别将三个单片机的.HEX文件加载到对应单片机中，点击Proteus的运行仿真按钮，程序即可以运行[6-8]。点击按键改变按键状态模拟输入数据的变化，B机和C机的输出都会发生相应的变化，验证了通信过程的有效性，如图3。如果在A机输入端口添加一个如图5所示的动态脉冲信号，从B机和C机的输出端口接虚拟示波器，可以观察到如图6的波形，验证动态信号传输的有效性，这些不同模式、参数的实验验证只需在Proteus中作调整，不受任何硬件成本和场地的限制，这也是虚拟仿真在课程教学方面的最大优势。

三、结束语

本文以三单片机通信系统设计为例，介绍了基于电路辅助设计软件Proteus的虚拟仿真技术在测控总线技术课程教学中的应用。利用Proteus的电路辅助设计功能及丰富的虚拟仿真器件，将在KEIL UV4中编写、调试编译的单片机程序文件直接运行，直观地看到运行结果更有助于学生理解原理、掌握方法、激发兴趣。而且通信模式、参数的调整不受硬件条件限制。学生携带自己的笔记本电脑，可以在课堂上跟随老师完成设计任务，将实验教学带入課堂教学中去，打破课堂教学和实验教学的时间、空间限制，实现完全融合，有效提高教学效果，使学生掌握基本的通信系统设计知识，并具有灵活运用课程所学知识解决实际问题的能力，为今后开展创新设计打下良好的基础。

参考文献：

[1]王先培.测控总线与仪器通信技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]陈志英.基于Proteus-Keil联调与项目导向的单片机教学[J].电气电子教学学报，2018，40（5）：107-111.

[3]蔺超文，汪菊.基于虚拟仿真的验证性电路实验教学研究[J].高教学刊，2017（21）：107-109.

[4]张文广，秦亮，刘生华.基于PXIe总线的网络化测控技术实验系统[J].实验室研究与探索，2018，37（10）：157-161.

[5]陈立周，陈宇.单片机原理及其应用[M].北京：机械工业出版社，2015.

[6]陈海霞，徐智.基于Proteus的单片机串口通信的实例设计与仿真[J].科技信息，2011（9）：458-459.

[7]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.

[8]孙万麟.基于Proteus的单片机通信电路设计[J].实验室研究与探索，2016，35（10）：135-138.