畢業(yè)論文---單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要單片微型計(jì)算機(jī)（MCU）經(jīng)過多年的發(fā)展，在性能上有很大的進(jìn)步，在型號(hào)上發(fā)展到上千種類，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)課程已經(jīng)成為高校計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、測控以及電子信息工程等專業(yè)的重要課程。該課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合。學(xué)生在掌握理論知識(shí)之余，必須通過編寫程序、設(shè)計(jì)硬件電路、仿真、調(diào)試這一系列的實(shí)驗(yàn)過程，才能更好地掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和應(yīng)用技能。隨著單片機(jī)及其接口技術(shù)的飛速發(fā)展，目前市場上供應(yīng)的編程仿真實(shí)驗(yàn)資源并不能完全滿足高校單片機(jī)課程教與學(xué)的需求，構(gòu)建低成本、技術(shù)先進(jìn)、源碼公開的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)我國單片機(jī)課程的教學(xué)和單片機(jī)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文結(jié)合目前教學(xué)中對(duì)單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際需求，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，精心設(shè)計(jì)和開發(fā)了單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PC機(jī)端單片機(jī)編程控制軟件和單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)板兩部分組成。PC機(jī)端的單片機(jī)編程控制軟件可以自動(dòng)檢測到連接到單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)板上的單片機(jī)，控制單片機(jī)編程器擦除、寫入、讀出、校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)單片機(jī)ROM中的程序，以十六進(jìn)制文件（.HEX文件）格式顯示在控制界面內(nèi)；單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠把寫入單片機(jī)的程序?qū)崟r(shí)地運(yùn)行，并呈現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行效果。單片機(jī)編程控制軟件和單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)板組成一個(gè)完整的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的編程控制軟件是在VisualC+IDE環(huán)境下開發(fā)的，單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)板上的MCU采用了美國Atmel公司推出的應(yīng)用廣泛、兼容性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的AT89S系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)內(nèi)部除了集成了傳統(tǒng)單片機(jī)的基本功能部件外，還集成了在系統(tǒng)可編程（ISP）功能，ISP功能為單片機(jī)的應(yīng)用和產(chǎn)品的升級(jí)換代帶來了極大方便。選擇該MCU有效降低了系統(tǒng)的技術(shù)度和成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。該單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，綜合功能極強(qiáng)，它集編程、仿真、實(shí)驗(yàn)于一體，可以進(jìn)行系統(tǒng)全面的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。模塊化的設(shè)計(jì)思想，使單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各功能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，利用該編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以從原理上學(xué)習(xí)單片機(jī)編程的過程，實(shí)時(shí)查詢單片機(jī)子程序庫，進(jìn)行本系統(tǒng)提供實(shí)例的仿真。能勝任學(xué)生的課程實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競賽等各個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐階段，有利于實(shí)驗(yàn)者自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)第一章緒論1.1研究背景和意義單片機(jī)也叫嵌入式微控制器，它的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑，使計(jì)算機(jī)的用途從海量數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)展到智能化控制，它具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低、使用方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是單片機(jī)嵌入到對(duì)象環(huán)境、結(jié)構(gòu)、體系中作為其中的一個(gè)智能化控制單元，構(gòu)成各種嵌入式應(yīng)用的電路系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中包括了滿足對(duì)象要求的全部硬件電路和應(yīng)用軟件。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常分為3個(gè)層次，即單片機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)1，如圖1-1所示。單片機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、家用電器、信息和通信產(chǎn)品和軍事裝備等方面。在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)中，無論是過程控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和測控技術(shù)，還是生產(chǎn)線上的機(jī)器人技術(shù)，都需要單片機(jī)的參與；單片機(jī)的使用又將使儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化和柔性化方向發(fā)展；汽車的安全保障系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，飛機(jī)上的各種儀表控制，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置等，都有單片機(jī)在其中發(fā)揮著作用。學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用單片機(jī)并掌握其應(yīng)用技術(shù)具有重要意義。在全國高等院校電子信息類專業(yè)中，已普遍開設(shè)單片機(jī)及其相關(guān)課程。單片機(jī)原理、單片機(jī)原理及接口技術(shù)等課程是大中專院校電子類專業(yè)實(shí)踐性、應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課或選修課。從加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求來看，這類課程僅在課堂上講授基本原理是不夠的，必須在教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，開設(shè)一定數(shù)量的高質(zhì)量配套實(shí)驗(yàn)課或獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生有足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)。那么對(duì)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)就相應(yīng)提出了較高要求。2目前，在單片機(jī)教學(xué)中普遍存在著一些問題，如：1單片機(jī)課程往往多以理論為主，實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)形式。實(shí)驗(yàn)也多是進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在普遍采用“實(shí)驗(yàn)箱”，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)都是按指導(dǎo)書上現(xiàn)成的資料,編譯現(xiàn)成的程序,很少有同學(xué)去分析編程的原理和實(shí)驗(yàn)程序的流程,更談不上去修改和完善。對(duì)于單片機(jī)電路也只是按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書在實(shí)驗(yàn)箱上做簡單的連線,沒有一個(gè)整體的電氣原理圖概念,最終還是不會(huì)設(shè)計(jì)電路,甚至連基本的電氣原理圖都讀不懂。但單片機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，只學(xué)習(xí)理論不做實(shí)驗(yàn)練習(xí)，很難真正地把單片機(jī)方面的知識(shí)理解掌握，很難真正成為單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的高級(jí)人才。2學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)也存在著諸多限制，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室由于存在著場地和時(shí)間有限等問題，學(xué)生除了上課外，平時(shí)很難有機(jī)會(huì)實(shí)踐。個(gè)人配備單片機(jī)編程實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，因成本較高，很多學(xué)生無法承受。同時(shí)一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱由于是成品，學(xué)生很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中去，一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱也只是起驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的作用，學(xué)生動(dòng)手能力很難得到訓(xùn)練與提高2。3教學(xué)過程中應(yīng)用的單片機(jī)編程軟件都是封裝后發(fā)布，學(xué)習(xí)者根本不了解單片機(jī)編程器的工作原理，對(duì)于大多數(shù)的編程器軟件只會(huì)簡單的操作，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。由此可見，構(gòu)建開放源代碼、低成本、易更新的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)我國單片機(jī)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)和單片機(jī)課程的教學(xué)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。它不僅可以顯著降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資，而且將培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索精神，為單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來革命性的變化。早期，人們?cè)堰壿嫹治鰞x作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具來使用，但功能有限只能用于簡單的單片機(jī)系統(tǒng)；對(duì)于復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)，可以使用微型計(jì)算機(jī)來進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，把能開發(fā)單片機(jī)的微型計(jì)算機(jī)稱為微型機(jī)開發(fā)系統(tǒng)MDS（MicrocomputDevelopmentSystem）；此外，還有專門的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，稱為在線仿真器ICE（InCircuitEmulator），通過它可以進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和EPROM寫入。當(dāng)今很多單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合功能又過于強(qiáng)大，將各科的實(shí)驗(yàn)都集中在一起，比如既能做MCS-51系列、MCS-96系列單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，又能做CPLD、EDA實(shí)驗(yàn)，甚至還能做微機(jī)原理8088實(shí)驗(yàn)。并非功能強(qiáng)大了不好，但單片機(jī)學(xué)習(xí)者確實(shí)對(duì)其中的有些功能用不著，那么多功能都集成在一起，勢必增加開發(fā)成本，使產(chǎn)品價(jià)格升高，令購買者望而生畏。再者，現(xiàn)今的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)把編程過程原理全部封裝在程序中，使學(xué)習(xí)者不能真正的了解程序的過程和原理，只會(huì)簡單地操作，不能靈活適用于不同的學(xué)習(xí)者，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新能3力。完整的單片機(jī)開發(fā)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包括微型計(jì)算機(jī)、編程器（又叫燒錄器）、仿真器、實(shí)驗(yàn)電路板等。當(dāng)今流行的計(jì)算機(jī)都能滿足單片機(jī)學(xué)習(xí)與開發(fā)的要求。編程器用于把編譯好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的ROM里面，把寫好后的芯片插到實(shí)驗(yàn)板上面進(jìn)行試驗(yàn)。單片機(jī)仿真器用來實(shí)時(shí)仿真調(diào)試單片機(jī)程序及硬件電路，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，修改程序，提高編寫程序的效率。硬件實(shí)驗(yàn)板，作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的外圍電路部分，可以進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)電路的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)，測試單片機(jī)程序能否實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路的功能。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)了一種模塊化的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由編程仿真軟件和實(shí)驗(yàn)板兩部分組成。軟件在分析單片機(jī)編程原理的基礎(chǔ)上對(duì)單片機(jī)編程的各個(gè)操作和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行詳細(xì)介紹并給出源代碼；設(shè)計(jì)并開發(fā)了編程仿真實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)板上留出可擴(kuò)展的接口和資源，利于學(xué)生自己開發(fā)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)不僅能勝任于學(xué)生的課程實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外科技活動(dòng)等各個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐階段，并且有利于實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。1.2研究現(xiàn)狀目前單片機(jī)已經(jīng)引起各行業(yè)極大關(guān)注，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。很多大型公司都設(shè)計(jì)開發(fā)并生產(chǎn)專業(yè)的單片機(jī)編程器，仿真器以及單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，以供大中專院校進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)研究以及個(gè)人學(xué)習(xí)使用。當(dāng)今比較流行的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一般都是集編程、仿真、實(shí)驗(yàn)于一體，綜合功能極強(qiáng)。如WS系列單片機(jī)綜合開發(fā)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是福建泉州強(qiáng)聯(lián)單片機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的一款全面支持ATMEL與STC系列單片機(jī)的集開發(fā)實(shí)驗(yàn)板、編程器、仿真器、ISP在線下載功能的四合一開發(fā)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。XL1000單片機(jī)綜合仿真實(shí)驗(yàn)儀是深圳市學(xué)林電子有限公司綜合多年經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出的多功能8051單片機(jī)平臺(tái)（兼容AVR/PIC單片機(jī)的部分燒寫實(shí)驗(yàn)功能），集常用的單片機(jī)外圍硬件、ISP下載線、單片機(jī)仿真器、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板、編程器功能于一身。航空航天部615所研制的AEDK5198仿真器，可仿真開發(fā)MCS-51系列和8098單片機(jī)，支持全空間仿真、硬件斷點(diǎn)，所有單片機(jī)資源向用戶開放，能與系統(tǒng)機(jī)（IBM-PC及兼容機(jī)）聯(lián)機(jī)，也能獨(dú)立運(yùn)行。DUCK-IV仿真器是新一代的MCS8051系列單片機(jī)在線仿真器，采用背騎式（piggyback）芯片作為仿真芯片和采用先進(jìn)的仿真技術(shù)，突破了國內(nèi)因使用同種芯片仿真相同類型單片機(jī)所不能逾越的諸多障礙。該仿真器不用更換主芯片即可對(duì)8051系列芯片進(jìn)行仿真開發(fā)，不占任何用戶資源，64K程序存儲(chǔ)空間和464K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間完全提供給用戶，程序全速運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)時(shí)采集。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司設(shè)計(jì)的DP-51PROC（插孔式）單片機(jī)綜合仿真實(shí)驗(yàn)儀是基于KeilC51集成開發(fā)環(huán)境下的DP系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)儀之一，是一套功能強(qiáng)大的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)、調(diào)試、開發(fā)工具，集成了四合一功能：ISP、EDA、仿真、實(shí)驗(yàn)儀，為各大院校的實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是單片機(jī)教學(xué)的好幫手。在互聯(lián)網(wǎng)上，設(shè)計(jì)開發(fā)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的個(gè)人網(wǎng)站也是數(shù)不勝數(shù)。KeilC51集成開發(fā)環(huán)境uVision3是KeilSoftwareInc/KeilElektronikGmbH開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、連接、目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想。由于Keil本身是一個(gè)純軟件的東西，還不能直接進(jìn)行硬件仿真，必須連接上面所述的在線仿真器硬件才可以進(jìn)行仿真。ProteusISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路,該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)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；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。Proteus硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)。1.3本文的主要工作本文的主要工作包括單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件開發(fā)和編程仿真實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。上位機(jī)編程控件軟件主要由三個(gè)模塊組成：控制編程模塊、子程序庫查詢模塊和編程仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。下位機(jī)實(shí)驗(yàn)板分為顯示模塊、鍵盤模塊、發(fā)音模塊等。單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件的編程模塊根據(jù)MCU芯片（本論文以AtmelAT89S51單片機(jī)為編程仿真芯片進(jìn)行編程仿真實(shí)驗(yàn)）編程手冊(cè)上規(guī)定的命令協(xié)議，控制程序中所要求的不同地址的引腳置高或低電平從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)行單片機(jī)的編程，編程軟件可以通過并口、串口和ISP在系統(tǒng)編程三種方式對(duì)下位機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行編程，這部分功能在VisualC+編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)；子程序庫查詢模塊根據(jù)Delphi強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫操作功能，把存放在數(shù)5據(jù)庫中現(xiàn)行的51子程序通過標(biāo)號(hào)查詢、功能查詢和遍歷的方式查找所需要的子程序，可以方便的應(yīng)用到編程中；編程仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K把編寫好的源代碼以十六進(jìn)制的格式編程寫入單片機(jī)，并在仿真實(shí)驗(yàn)板上實(shí)時(shí)地仿真出來。以上三個(gè)模塊將由一個(gè)控制界面分別調(diào)用或引用各個(gè)實(shí)現(xiàn)的模塊來控制實(shí)現(xiàn)?？偨缑?、子程序查詢模塊和實(shí)驗(yàn)?zāi)K在Delphi環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)部分需要完成的工作主要有實(shí)驗(yàn)板硬件電路的原理設(shè)計(jì)，PCB電路板的繪制設(shè)計(jì)和制作，各個(gè)功能模塊地設(shè)計(jì)與制作，以及后期的安裝和調(diào)試工作，包括ISP在線編程部分、仿真部分等。這也是軟件部分設(shè)計(jì)、調(diào)試和正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。6第二章單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單片機(jī)選型在單片機(jī)家族中，80C51系列是其中的佼佼者，Intel公司將其MCS-51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC設(shè)計(jì)廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了80C51的許多特性3。目前，單片機(jī)進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展，越來越多的高性能和多品種單片機(jī)出現(xiàn)。一個(gè)好的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須有與之適合的MCU，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是根據(jù)單片機(jī)的ISP在系統(tǒng)編程功能，使程序下載到實(shí)驗(yàn)板目標(biāo)單片機(jī)中并即時(shí)運(yùn)行，系統(tǒng)選用了Atmel公司生產(chǎn)的具有ISP功能的AT89S51單片機(jī)。2.1.1選型原則對(duì)于MCU的選型應(yīng)遵循以下原則：1具有在系統(tǒng)可編程（ISP）功能本文旨在研究一種便于普及，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目前單片機(jī)編程仿真主要有三種方式：一是專業(yè)級(jí)的編程仿真器，采用專用仿真芯片，可以仿真單片機(jī)及其外部接口的全部硬件資源，這種編程仿真器價(jià)格昂貴不利普及；二是采用單片機(jī)生產(chǎn)商提供的IDE軟件燒錄在高檔單片機(jī)芯片中做仿真芯片配合KeilC單片機(jī)編輯仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該方式價(jià)格適中，能仿真除串行口和部分ROM之外的大部分單片機(jī)資源，仿真調(diào)試方便；三是利用單片機(jī)的在系統(tǒng)可編程（ISP）功能，在軟件仿真正確的前提下，直接對(duì)目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行在系統(tǒng)編程，實(shí)時(shí)運(yùn)行立刻出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行效果，該方式價(jià)格最低，便于普及。單片機(jī)ISP技術(shù)是未來發(fā)展方向。2典型性MCS-51單片機(jī)是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的AT89S51、SST89E564RD等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。AT89S51是AT89C51的換代芯片，AT89S51目前已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場上新的寵兒，作為市場占有率第一的Atmel公司目前已經(jīng)停產(chǎn)AT89C51，將用AT89S51代替。AT89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，成本降低，而且將功能提7升，增加了競爭力。AT89SXX可以向下兼容AT89CXX等51系列芯片4。3兼容性8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51單片機(jī)影響極深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，就是說MCS-51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。其他公司的51單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS-51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而已。同樣的一段程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL公司的AT89C51，AT89S51，AT89S52，SST公司的SST89E564RD，菲利浦公司的P89C51X2和華邦公司的78E51B等。AT89S51具有ISP等新功能，更優(yōu)秀的是由Flash（內(nèi)部Flash擦寫次數(shù)為1,000次以上）存儲(chǔ)器取代了原來的一次性寫入ROM。4性價(jià)比任何系統(tǒng)中對(duì)微控制器的選擇都要考慮成本的因素，若忽略成本的因素，使產(chǎn)品的價(jià)格過高，在市場上將沒有競爭力。為節(jié)省成本，本單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集編程、仿真于一體，所以要求MCU功能強(qiáng)大，不僅具有51系列單片機(jī)的基本功能，還應(yīng)具有在線編程和仿真的功能。Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)性價(jià)比高，不僅可以滿足以上功能，而且價(jià)格也不是很高。根據(jù)以上原則，我們選用了Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)，其應(yīng)用廣泛、兼容性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉?？梢詽M足本編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及后續(xù)的再開發(fā)。2.1.2AT89S51單片機(jī)性能簡介AT89S51單片機(jī)是美國Atmel公司推出的新一代高性能、高速、低功耗、低電壓單片機(jī)，其保密性能好，具有高可靠性、高抗干擾等特性。AT89S51是一種帶4K字節(jié)FLASH可編程存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。特別是支持ISP編程功能，編程開發(fā)只需幾根線即可對(duì)芯片進(jìn)行程序的下載燒錄。由于將多功能8位CPU和FLASH存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電8模式。AT89S51在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求5。AT89S51相對(duì)于AT89C51增加的新功能包括：1ISP在系統(tǒng)編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個(gè)非常強(qiáng)大易用的功能。2工作頻率為33MHz，AT89C51的極限工作頻率只有24M，AT89S51比AT89C51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。3具有雙工UART串行通道。4內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像AT89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。5雙數(shù)據(jù)指示器。6電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。7全新的加密算法，這使得對(duì)于AT89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。8兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單片機(jī)是8051、89C51還是MCS-51等），在AT89S51上一樣可以照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。2.2編程控制軟件設(shè)計(jì)2.2.1設(shè)計(jì)原理根據(jù)MCU芯片編程手冊(cè)上規(guī)定的命令協(xié)議，通過一定的時(shí)序向不同的引腳置高或低的編程電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的編程，將代碼寫入單片機(jī)的ROM中。單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的編程器模塊就是根據(jù)這一原理，在PC上位機(jī)和單片機(jī)間規(guī)定通訊協(xié)議，按照通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)上的編程控制軟件與單片機(jī)通訊，使單片機(jī)編程器控制程序中所要求的不同地址的引腳置高或低電平從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的編程。單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的子程序查詢模塊通過把單片機(jī)子程序的各要素按一定的規(guī)則放入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)Delphi強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫查詢功能，通過標(biāo)號(hào)和子程序功能字段實(shí)現(xiàn)單片機(jī)子程序的查詢。13第三章編程仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1單片機(jī)編程器模塊單片機(jī)編程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的編程器模塊總體設(shè)計(jì)主要分為三部分：操作部分、設(shè)置部分和顯示部分。其中，操作部分包括打開文件、保存文件、擦除器件、寫器件、讀器件、校驗(yàn)數(shù)據(jù)和鎖定部分；設(shè)置部分包括設(shè)置加密位，選擇編程器類型、串口、波特率和下載線性能設(shè)置；顯示部分包括提示信息、緩沖存儲(chǔ)區(qū)1內(nèi)容和緩沖存儲(chǔ)區(qū)2內(nèi)容。3.1.1編程原理1Flash閃速存儲(chǔ)器的并行編程AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有4K字節(jié)的可快速編程的Flash存儲(chǔ)陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高壓（12V）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。編程方法：（1）在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)；（2）在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)；（3）激活相應(yīng)的控制信號(hào)；（4）將EA/Vpp端加上12V編程電壓；（5）每對(duì)Flash存儲(chǔ)陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，加上一上ALE/PROG編程脈沖，每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為50us，改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)1-5步驟，直到全部文件編程結(jié)束。2Flash閃速存儲(chǔ)器的串行編程將RST接至Vcc，程序代碼存儲(chǔ)陣列可通過串行ISP接口進(jìn)行編程，串行接口包含SCK線、MOSI（輸入）和MISO（輸出）線。將RST拉高后，在其它操作前必須發(fā)出編程使能指令，編程前需將芯片擦除。芯片擦除則將存儲(chǔ)代碼陣列全寫為FFH。外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)需接至XTAL1端或在XTAL1和XTAL2接上晶體振蕩器，最高串行