0 引 言

“微机原理与接口技术”是高校电子信息工程、自动化、通信工程等电气与电子信息工科类专业的基础与核心课程。该课程以8086为主线,系统介绍微机原理的基本知识、基本组成、体系结构和工作模式,使学生从系统的角度出发,掌握微机原理的结构、工作流程、接口电路及其应用方法^[1-3]。学生通过该课程的学习,能够巩固和加深对先修课程知识的理解,熟悉计算机的特点、结构和工作过程,对提高学生的计算机硬件及编程应用能力至关重要^[4-6]。

由于传统的微机原理接口实验的硬件实验系统线路已经确定,而且大部分电路原理的接线已经内部连好,学生仅需要对外部接口电路进行少量连线。其实验过程主要是对程序部分的调试,缺乏电路原理设计的过程,并且受实验教学资源的限制,学生仅能在有硬件实验系统时才能进行实验调试,极为不便^[7]。因此,在原有实验硬件教学平台的基础上,本文提出了一种基于TPC-USB和Proteus的微机接口综合技术实验仿真设计的方法,该实验仿真技术能有效促进学生的学习兴趣,提高学生微机原理设计、开发的综合能力,使学生改变传统的验证性实验思维方式,实现微机原理实验的自主综合设计。

1 TPC-USB和EDA技术的综合仿真设计

1.1 新型综合仿真应用系统设计流程

结合本校原有微机原理实验平台,将Proteus仿真平台引入微机原理实验教学中。在微机原理实验中,Proteus软件不仅可以支持8086等CPU芯片,还有各种外围微机接口芯片,支持汇编、C语言及混合编程方式,还可以提供各种虚拟仪表,是实验设备种类齐全且高效率的教学仿真实验平台^[8-11]。

目前,在Proteus的微机原理实验系统仿真中,大多采用MASM或者Emu8086汇编程序调试软件结合仿真平台进行实验设计^[12]。但是MASM调试工具只能调试汇编语言,且调试界面并不直观,不支持断点调试方式,使用极为不便;Emu8086是可直接在Windows界面下使用的集成开发环境,该软件相比MASM界面简单直观,调试方便,但大多用在不涉及硬件电路汇编语言调试模式下,对外围接口电路的硬件设计电路,该软件无法实时和Proteus进行程序联调。

因此,提出采用TPC-USB程序应用平台结合EDA仿真技术的新型微机接口仿真模式,并设计相应接口电路,结合新型仿真平台和硬件实验系统完成综合实验项目的设计过程。具体设计思维及流程见图1。

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图1   实验电路仿真及硬件设计流程图

   

1.2 仿真系统地址译码电路的设计

现有微机综合硬件实验平台由总线接口模块、扩展实验台及集成实验环境组成,总线接口模块通过总线电缆与PC机连接,模块与实验台之间由扁平电缆连接,通过该电缆将模块产生的仿ISA总线信号连接到实验台。实验台上的I/O地址共有64个,选用280H-2BFH,分为Y0-Y7共8组输出。该译码电路原理图如图2(a)所示。

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图2   硬件实验系统和仿真系统I/O地址译码电路

   

针对原有I/O地址译码电路译码地址较少的局限性,在实验仿真平台中对该译码电路进行扩展,将该译码电路扩展为Y0~Y15共16组输出,每组16个,I/O口地址共有256个,选用0000H~00FFH。扩展地址译码原理图及其Proteus仿真如图2(b)和图3所示,硬件系统和仿真平台I/O译码地址如表1所示。

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图3   扩展译码电路仿真图

   

1.3 基于TPC-USB的仿真调试

在地址译码电路的基础上,结合外围接口电路,即可设计整体仿真电路,接口电路应用于矩阵键盘控制显示电路框图如图4所示。

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图4   扩展译码电路应用范例

   

采用TPC-USB软件开发集成环境结合Proteus进行仿真调试,该软件集编辑、编译、调试、实验演示等功能,可以实时查看原理图及程序,并能结合仿真软件,实时通过硬件实验箱进行仿真硬件调试,为微机原理教学中的不足以及实验设备缺乏等问题提供一种新的解决方法。

TPC-USB调试界面如图5所示,在程序调试过程中,可根据要求设计相应断点,或者进行单步及连续调试方式。该软件还包含有bochs图形界面,该界面提供了强大的命令行调试功能,可以使用命令窗口直接输入调试命令进行交互式调试。通过TPC-USB进行软件编译调试,将最终编译的exe文件载入8086中进行仿真结果测试,并结合TPC-USB的硬件系统进行联合调试。

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图5   TPC-USB调试界面

   

2 仿真系统综合应用设计案例

2.1 实验设计要求

以微机综合设计电路“电压报警系统”为例,分析TPC-USB和Proteus联合调试方法及步骤,本案例几乎涵盖微机接口技术中的大部分外围接口芯片,包含可编程并行I/O接口芯片8255、可编程计数器/定时器8253和模/数转换ADC0808等,具有很强的综合性,主要在于提高学生灵活掌握应用多种微机接口芯片的综合设计能力^[13-16]。

实验设计要求利用模数转换芯片ADC0808实现模拟电压的采集,通过7段数码管显示模拟电压转换后的数值,并对采集到的电压值进行实时监测,当电压值超过所设置的警戒值时,通过报警电路以特定频率的声音报警。

该实验要求需要掌握数码管的静态及动态显示原理、报警电路的设计方案以及8255、8253及ADC0808等多种接口芯片的基本设计原则,通过在Proteus仿真平台的设计过程,在TPC-USB软件平台的调试过程,掌握微机原理各种接口芯片的综合应用。

2.2 实验电路设计结构

该电压报警电路主要由4个电路模块组成,具体包含电路模块如下。

(1) 8086最小模式系统及译码显示部分。该部分为电路核心部分,主要包含锁存器及4线-16线译码器74LS154译码电路,产生各种接口芯片选择控制信号,从而控制8253及两片并行接口芯片8255,并通过数据总线AD0-AD7和外围电路实现数据交换。

(2) 电压显示控制部分。该电路通过8255可编

程并行接口芯片和4个数码管组成,将电压电路采集到的数据通过译码电路在数码管上直观显示出来。

(3) 电压采集部分。利用模数转换芯片ADC0808完成从可变电阻采集的模拟电压到数字电压的转换,并将转换后数据通过8255进行实时传输。

(4) 脉冲信号产生及报警电路部分。利用8253可编程定时器产生固定频率的周期信号,判断所采集到的电压数值是否超过预警值,并通过声音报警电路进行报警。

2.3 仿真元件信息

该综合电路在Proteus 7.8 SP2平台上进行仿真,具体仿真元件信息见表2。整体电路和外围电路仿真结果如图6、7所示。

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图6   整体电路仿真结果

   

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图7   外围电路部分仿真结果

   

2.4 TPC-USB程序调试

程序采用汇编语言进行编写,也可以采用汇编语言和C语言混合编程方式,直接在TPC-USB软件平台上书写,通过TPC-USB进行编写、编译和调试后,将生成的EXE文件载入8086,作为8086程序文件。

2.5 综合仿真结果

在Proteus中完成整体综合电路设计后,将TPC-USB调试的可执行文件程序载入8086中,然后进行仿真运行(见图6和7)。界面上显示的是当前得到的数字电压值,通过调整可变电阻,可得到不同的模拟电压,当电压超过设定预警值时,将按照预定的程序发出警报提示。

3 结 语

通过探讨TPC-USB软件平台结合EDA仿真技术在微机原理与接口系统设计中的综合应用,创设了有利于学生在硬件限制下积极探索问题的研究平台,将抽象的内容形象化,引领学生学会结合综合仿真系统及硬件实验系统设计接口技术问题的方法。并以8086和8255、8253及模数转换AD0808等外围电路构成的电压综合报警系统的设计及调试过程,探讨了该新型综合仿真调试平台的应用,通过该方法,还可以设计出接口技术中所涉及到的所有外围接口芯片的仿真应用实例。在设计过程中,使理论设计方案转变为完整真实的设计电路,深化对接口电路内容的理解,培养学生实验的积极性,提高软硬件设计、开发的综合能力及解决实际问题的能力。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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