2022年虚拟仿真和ISP下载AVR单片机实验模式研究报告.pdf

个人资料整理仅限学习使用欢迎引用： [1] 黄克亚 . 基于虚拟仿真和ISP 下载的 AVR单片机实验模式研究 [J]. 实验技术与管理 , 2018, 30(8>:81-85. 基于虚拟仿真和ISP 下载的 AVR 单片机实验模式研究摘要： 针对传统单片机实验体系中存在的问题，提出一种基于虚拟仿真和ISP 下载的AVR 单片机实验模式其基本思想是先在Proteus和 CVAVR 软件中进行联合仿真调试，再将目标文件通过ISP 技术下载至实验板进行现场调试该模式可以省去传统单片机实验中必不可少的实验台，仿真器，编程器，且工程设置灵活，是一种低成本、高效率、训练全面、更新容易的实验模式关键词： 单片机，虚拟仿真，在系统可编程，实验模式0 引言单片机作为嵌入式系统的一个重要分支，目前已广泛地应用于智能化家用电器、办公自动化设备、工业自动化控制、智能化仪表、通信产品、汽车电子产品、航空航天国防军事等人类生活的各个领域全国大中专院校电气自动化专业、应用电子技术专业、通信专业、机电专业等许多专业相继开设了单片机课程掌握单片机最好的方法是动手实践，但目前高等学校单片机实践教案存在控制芯片陈旧，功能有限，基本上还是以51 单片机为主；商品化的实验系统硬件固定且不完全透明，只能完成数量有限的验证性实验，绝大数同学是在“看实验”而不是在“做实验”；仿真器价格昂贵且不稳定，编程器不利于反复修改程序。

为此作者提出一种新的嵌入式系统实验模式，将51 单片机升级为AVR单片机，大幅提升其控制性能，采用Proteus和 CVAVR软件联合仿真调试程序，利用ISP(In System Programmable>技术更新下载程序实践证明，该模式具有控制芯片功能强，系统实现容易，实验成本低，有利于提高学生的创新能力等优点1 由 51 到 AVR 单片机51 单片机泛指所有采用Intel公司的MCS-51 内核结构，或称为与MCS-51 兼容的那些单片机国内高校中单片机系统的课程与教案，20 多年来基本上都是以51 单片机作为构成单片机系统的典型控制芯片来介绍，培养出大批熟悉、了解以及掌握51 单片机的工程师和技术人员因此，直到现在，国内51 单片机还是具有相当多的用户，在大部分学校的教案中，还是采用51 单片机作为学习的典型芯片从应用和市场的角度看，51 单片机仍旧能够满足许多应用系统的需求，并且具有价格低廉、参考资料和例程最多等许多优点除此之外，现在许多半导体公司和生产厂商也在不断推出多种类型和型号、以MCS-51为内核、经过较大改进和扩展的51 兼容 SOC单片机，其性能比标准 8051 单片机要高得多，能够满足许多更高需求应用[1]。

但是由于MCS-51 本身内核结构的局限性，51 单片机，尤其是标准51 架构的单片机，在性能、技术和软硬件设计理念等多方面已经落后，从技术角度看，已经跟不上单片机流行和发展的趋势随着单片机系统技术的发展，目前市场上出现了许多新型的8 位芯片其中ATMEL 公司 AVR单精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用片机发展尤为引人注目AVR 单片机采用了RISC 结构，其速度、内存容量、外围接口的集成度、向串行扩展和更适合使用高级语言编程等众多特性，以及其所使用的开发技术和仿真调试技术等方面，都充分体现和代表了当前单片机嵌入式系统发展的趋势也正是由于这些显著特点，再加上其极高性价比，使得AVR得到了广泛的应用，在短时间内成为市场上的主流芯片之一因此，从教育的长远和发展眼光出发，我们的教案与学习的目标应该更高些，要相应地改变教案内容、教案方式和学习方式，充分体现和融入新的技术、新的软硬件设计理念和方法，为培养适应当今技术发展的嵌入式系统工程师打好坚实的基础，以满足社会对高水平人才的需求[2]。

2 虚拟仿真技术传统的单片机课程教案采用“先理论讲解，再动手实验”的教案模式，以大量的原理来引导学生入门，不仅使学生理解困难，而且感觉枯燥乏味；教案过程中以单片机原理为核心，其应用只是点缀，造成学生应用能力培养不足；将软硬件分离介绍，对单片机软硬件结合的系统设计方法强调不够，使得学生在构建实际的应用系统时缺少系统化的思路本文将Proteus 和 CVAVR 软件联合使用，实现单片机软硬件的仿真这种方法用虚拟单片机代替实验箱的硬件电路，形象具体，增强了学生的感性认识，有助于对实验原理的理解大量的教案实例通过软件仿真，不仅节约了硬件资源，而且提高了教案效率[3]Proteus 软件是英国Labcenter electronics 公司出版的EDA 工具软件 Proteus与其他电子仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果从某种意义上讲，这种仿真弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾[4]CodeVision AVR 是 HP Info Tech专门为 AVR 设计的一款低成本的C 语言编译器，它产生的代码非常严密，效率很高。

它不仅包括了AVR C 编译器，同时也是一个集成IDE 的 AVR 开发平台，简称 CVAVR 与其它的C 语言开发平台相比较，CVAVR 对位

最后观察实验结果，单击Proteus 中的执行按钮，开始仿真，如果实验没有达到预期效果，可以很方便的修改硬件电路或软件程序重新实验，直到完全达到控制要求为止[6]3 USB-ISP 下载技术传统的单片机实验教案开展主要有两种模式，一种是采用仿真器开发模式，这种方式采用仿真器模拟单片机在这种开发模式下可以任意修改程序，支持单步、中断等多种调试方式，有利于快速推进开发过程，但是仿真器价格昂贵，且稳定性差，对实验结果有一定的干扰一种方式是采用直接“烧写程序”的方式来进行的，这种方式是将程序编译生成的目标文件直接烧到单片机芯片中去，然后再将单片机安装到实验板上，这种方式是成本较低，但单片机需反复拔插，较为麻烦且容易损伤单片机引脚[7]近年来， USB 通信技术和ISP<在系统可编程）技术均取得长足的发展，使得只需要一根USB数据线和简单ISP 电路即可将PC 机上的目标程序轻松写入到单片机芯片中去，而且支持更新，使实验和调试变得十分容易同时PC 机 USB 端口提供的稳定5V 电源也可以直接供实验板使用这些均为研发一种新型单片机实验装置提供了思路和技术支持[8]ISP 下载电路主要实现PC 机与单片机USB 通信功能，进而将PC 机上目标程序下载到实验板的单片机芯片中去。

如图1 所示， ISP 电路主要由AVR 单片机ATmega8L(U1> ，USB 端口(P3>， 10 针 ISP 接口 (P1>，自锁按钮 (P4>，复位按钮 (P2>，工作指示灯(LED1 、 LED2> ，时钟电路等组成 ATmega8L 单片机用于USB 串口协议的软件模拟和ISP下载操作 10 针 ISP接口用于对其他设有ISP 接口的单片机开发板下载程序，使用时只需将两个ISP 接口使用一10 针排线连接即可自锁按钮用于选择是否将USB 电源供给实验装置；复位按钮可以远程复位目标板单片机系统时钟电路由外接晶振X1 和微调电容C1、C2 构成实验系统电源有两种选择，一种是直接由PC 机 USB 端口供电，另外一种方式是外接+5V 直流电源，选择哪一种供电方式由电路板上相应跳线确定，在USB 端口供电参数满足实验要求的条件下一般选择USB 供电方式[9]精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 1 USB-ISP 下载器原理图4 AVR 单片机实验模式采用理实一体化工程教案有利于克服传统教案以章节为序、重理论、轻实践的教案模式带来教案困境。

理实一体的工程式教案作为一种具有职业教育特色的教案方式，有助于开展基于工作过程系统化的课程开发、优化教案过程，并提高教案质量和效率，改变了传统的以验证理论为目的的单片机实验教案，使高职院校能够根据岗位需求和经济发展组织教案论文的提出的基于虚拟仿真和ISP 下载技术的AVR 单片机实验模式为理实一体化工程教案提供了技术支持，而且更有利于学生综合开发能力，创新能力的培养[10]4.1 AVR 单片机实验过程如图2 所示，基于虚拟仿真和ISP 下载技术的AVR 单片机实验模式教案过程，首先明确实施工程设计任务，技术指标，合理划分软硬件功能，确定系统总体实施方案然后同时开展软硬件设计，硬件电路设计主要包括硬件逻辑框图设计，合理选择元器件，系统电路图设计，在万能板上完成电路制作并进行测试，测试完成之后在Proteus 软件中完成与实际电路相对应的硬件仿真图设计系统软件设计主要包括软件结构设计，确定实现算法，采用CVAVR 编写控制程序，连接编译成功之后生成目标文件(HEX 格式 >硬件和软件设计均完成之后，则进入下一个环节，即采用Proteus 软件和CVAVR 软件进行联合仿真调试，检验系统控制功能是否实现，由于仿真电路和实际电路是完全相同的，所以其虚拟仿真的指导性很强的，而且仿真时可以设置连续、单步、中断等调试方式，所以虚拟仿真技术几乎可以完全取代传统的硬件仿真器。

仿真通过后进入下一环节，即将目标程序通过自行制作的USB-ISP 下载器下载到目标板上进行现场调试，如果此时调试通过则圆满地完成工程设计任务，如果在调试中发现问题则根据问题的不同转入相应阶段进行修改，直到系统能够实现全部控制功能[11]精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 2 AVR 单片机实验模式框图4.2 实验模式实施实例本文以“ LED 点阵实时温度显示系统”工程为例介绍基于虚拟仿真和ISP 下载的AVR 单片机实验模式实施过程具体实施过程如下：1、确定工程设计任务及技术指示，给出系统总体实施方案本系统设计目标是能够实时采集现场温度，并将温度值显示在LED点阵显示器上主控芯片选择高性能、低功耗的8 位 AVR微处理器 ATMEGAl6 由于DSl8B20 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU的 I/O引脚资源少，和MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以选用DSl8B20 作为温度测量的传感器[12]LED点阵选择4 片 8×8 点阵模块拼成1 片 16×16 点阵模块，使用时需要将相应的行线和列线并联，控制时采用多个字符分时显示的方式以显示较多的信息，每个字符对应的显示码是通过专用取字模软件生成的，图3 为温度单位“℃”的取字模界面。

精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 3 字模提取软件界面2、完成系统软硬件设计，建立仿真电路和编写控制程序并行联合调试在万能电路板完成系统硬件电路设计，之所以选择万能板主要考虑若采用PCB板开发周期较长且成本较高，若采用面包板虽然十分方便且比较经济，但面包板搭建的电路经常出现接触不良而且很难查找万能板价格便宜，制作电路不太会出现接触不良现象，特别是在万能板电路制作过程需要学生考虑芯片的每一个引脚，每一条线路的实际连接，更有利于提高学生的动手能力和培养学生创新设计能力完成系统软硬件设计，并在Proteus中建立仿真电路和CVAVR 软件编写好控制程序即可开展软硬件联合仿真调试，其仿真调试结果如图4 所示图 4 系统联合仿真调试结果图3、将CVAVR中生成的目标程序通过自制的USB-ISP 编程器下载到万能板上控制芯片中去，进行现场调试，实现由虚拟到现实的转换有些技术参数，比方说I/O 口的驱动能力，只有在板运行才能观测出来现场调试运行效果如图5 所示，可见工程设计达到了预期目标，完成了设计任务，如果在调试中发现问题应转入相应阶段进行修改，直到完全满足控制要求为止。

精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 5 现场调试效果图六、结束语基于虚拟仿真和ISP 下载的AVR 单片机实验模式是以单片机系统开发过程中实际存在的工程为载体，便于推进“基于工作过程系统化”的工程式教案改革该模式无需购买昂贵的实验设备，既节约了实验成本又便于工程及时更新，使得教案内容得以紧跟技术前沿，学生的设计作品也充满创意由系统规划到组织实施，由虚拟仿真到现场调试，模式涉及单片机系统应用的全过程，既是教案、实验和实训过程又是单片机系统开发过程，可以对学生单片机系统综合应用能力进行全方位的训练总之，论文所提出的AVR 单片机新的实验模式是一种低成本、高效率、训练全面、更新容易的单片机系统教案和开发模式参考文献[1] 马 潮. AVR 单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 北京 :北京航空航天大学出版社, 2018.[2] 谢文苗 ,韩玉芬 ,徐春秀 . 基于 AVR 系列单片机的电路综合实验课程改革[J]. 实验技术与管理, 2018, 27(3>:188-190.[3] 黄克亚 . 高职院校单片机虚拟实验室建设方案研究[J]. 职业时空 , 2018, 8(8>:53-55.[4] 王海燕 , 杨艳华 . Proteus 和 Keil 软件在单片机实验教案中的应用[J] 实验室研究与探索, 2018, 31(5>:88-91.[5] 王娟 . Proteus软件在单片机专题实训中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2018, 31(8>:72-75.[6] 林志琦．基于Proteus 的单片机可视化软硬件仿真［M ］．北京 :北京航天航空大学出版社，2006．[7] 黄克亚 , 郑蕾 , 南京铁道职业技术学院苏州校区管理委员会. 一种单片机USB-ISP 实验装置 :中国 , 201820549747.4[P]. 2018-09-05.[8] 林凌, 李蒙, 李刚. 一种基于ISP 技术的单片机多功能教案平台[J]. 实验技术与管理, 2009, 26(3>:64-67.[9] 银翔 , 李波 . 基于ISP 技术的嵌入式系统课程设计的实施[J]. 实验技术与管理, 2018, 27(11>:301-303.[10] 黄克亚 , 尤凤翔 . 基于“工作过程系统化”的单片机系列课程教案改革探索[J]. 职业时空 , 2018, (10>:74-75.[11] 朱向庆 , 胡均万 , 陈宏华 , 等 . 多功能单片机实验系统的研制[J]. 实验室研究与探索, 2018, 31(4>:41-44.[12] 李文华 . 单片机技术应用与系统开发[M]. 大连：大连理工大学出版社, 2008. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页。