接口综合设计实验平台的开发与实践

陈 真， 王 钊

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)



接口综合设计实验平台的开发与实践

陈 真， 王 钊

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

融合先进的虚拟仿真技术，设计并实现了基于8086微处理器的“接口综合设计”实验平台。学生应用该实验平台可以自由扩展发挥，进行体验性学习，提高了实验兴趣，营造了主动性、探索性实验环境。实践证明，该平台的开发与应用，对学生灵活掌握多种接口芯片的功能与使用方法提出了更高、更全面的要求，既能更好地配合学生深入理解和灵活掌握理论知识，又能运用实验教学体系的优势实现学生从基础知识理解到综合能力提高的转变，从验证性思维到设计、创新性思维的转变。

微机原理； 接口设计； 虚拟仿真； 综合设计实验平台

0 引 言

“微机原理”课程以微处理器、总线、接口和程序设计为主线，是学生学习和掌握计算机硬件知识和汇编语言程序设计的入门课程，其实验教学占有非常重要的地位[1-2]。该课程基础性、实践性和技术性强，对于学生深入理解专业理论知识、培养实践应用能力及创新能力具有承上启下、至关重要的地位和作用，是培养高素质创新性人才的关键环节。

目前该课程“接口设计部分”的实验内容难以激发学生创新设计热情，学生普遍缺乏对设计环节的深入理解和应用体会，学生主动性和积极性不高，学生的综合设计能力和创新能力得不到充分发挥和锻炼。在现有教学实验装置上，设计开发基于8086微处理器的“接口综合设计”实验平台，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力，以及理论应用于实践的创新能力，突出实验教学的实践性、科学性、先进性。

1 接口综合设计实验平台开发

实验项目建设应该在传承经典的基础上进行新的诠释和探索，更加适应实验教学发展的趋势，丰富其内涵[3]。“接口综合设计”实验平台的开发理念是通过融合先进的EDA技术，优化完善考察学生实践应用能力的经典实验项目，增强实验兴趣，营造探索性实验环境，培养学生综合设计开发和创新能力。具体实验项目开展流程图如图1所示。

图1 实验项目开展流程图

1.1 关键技术

1.1.1 仿真软件

选用Proteus软件作为系统仿真软件。Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，不仅能对电路进行设计与分析，还能对微处理器进行设计和仿真。Proteus 7.5版本开始提供VSM for 8086模块，增加对8086CPU的仿真，为搭建培养学生综合设计和自主创新能力的实践平台提供了技术支撑[4-6]。应用Proteus 进行8086 接口技术仿真是在Proteus ISIS 中通过电路原理图的编辑、外部代码编译器的设置、编写和添加源代码及仿真调试来完成的，具体流程如图2所示。

图2 Proteus ISIS仿真流程

现有接口实验箱上的信号是通过计算机的USB接口模块产生的仿ISA总线信号得到的。为了锻炼学生接口电路仿真设计能力，要求学生在Proteus ISIS环境下进行程序设计，并加载到的仿真设计接口电路中，仿真测试和虚拟仪器测试通过后，移植到接口实验箱进行相应硬件电路的接线，结合开发环境软、硬联调后实现设计内容。

1.1.2 I/O地址译码电路设计

在现有教学实验装置基础上搭建培养学生综合设计和自主创新能力的实践平台需要解决I/O地址译码电路问题。

现有教学实验箱上I/O地址选用280H-2BFH 64个，分8组输出：Y0-Y7，其地址分别为280H～287H；288H～28FH；290H～297H；298H～29FH；2A0H～2A7H；2A8H～2AFH；2B0H～2B7H；2B8H～2BFH，8根输出线在实验箱“I/O地址”处分别由自锁紧插孔Y0～Y7引出。I/O地址译码电路设计如图3所示[7]。在Proteus ISIS仿真设计环境中选取仿真元件(如表1所示)，利用8086微处理器和相关外围芯片构造I/O译码电路如图3所示。

表1 仿真元件信息

1.1.3 子电路设计应用

结合精品实验项目内容设计的侧重点[8-10]，在Proteus ISIS环境下将部分常用电路设计为子电路，并存成部件组，方便学生进行后期接口部分仿真电路开发设计时直接使用(如：I/O接口译码电路)，将更多时间、精力投入到设计创新中。分析现有教学实验箱上I/O地址选用情况，设计Proteus ISIS环境下I/O接口译码子电路和使用如图4所示。

图3 Proteus ISIS环境下I/O地址译码电路设计原理图

2 实践案例

2.1 显示接口综合设计实验案例

2.1.1 实施内容和过程

“显示接口综合设计”实验是在原 “数码管显示”经典实验[12]基础上设计的。实施内容的设计是以微机系统的总线结构为基础，贯穿多个接口芯片的功能应用，注重营造探索性实验环境，着重提高学生灵活应用多种接口芯片的综合设计创新能力。该实验项目目的是要求学生掌握数码管显示原理并设计接口电路实现数码管的静态和动态显示功能。制定实验教学计划中考虑到首先安排简单输入、输出接口实验内容，让学生熟悉接口电路设计的基本原则以及缓冲器和锁存器在接口电路设计中的作用及其应用方法，并且初步了解可编程并行接口芯片8255A、可编程定时器/ 计数器芯片8253等理论知识和应用方法。具体的实施内容和过程如图5所示。

图4 I/O接口译码子电路设计应用

图5 实施内容和过程

2.2 实施方法

2.2.1 范例内容层次化设计

层次化设计的范例内容[13]，由简单到复杂逐步引导学生掌握显示接口设计的要点。先利用数码管循环显示数字单字符(0～9)，掌握如何控制段码进行显示；然后引导学生理解动态显示原理并利用数码管“同时”显示两个不同字符如：“EF”，掌握如何控制位码“同时”显示不同段码；最后利用数码管实现循环显示数字(0～99)(见图6)，掌握根据需求控制循环显示。

图6 范例内容层次化设计

2.2.2 注重引导完善

学生刚接触接口部分内容时，注重引导学生根据“显示接口综合设计”实验项目要求制定“虚拟仿真初步设计方案”。激发学习兴趣和探索精神，随着理论知识的不断充实、对课程体系理解的不断完善，继续引导自主改进方案并完善功能，培养锻炼了学生提出问题和分析、解决问题的自主实践能力。

这个过程一开始略显无所适从，随着理论知识和实践经验的不断更新积累，此时，被动思维模式转为主动思维模式，学习变得具有探索性和目的性，主观能动性得以提高，初步设计方案得以主动修正完善。

2.2.3 利用范例掌握平台的使用和实践流程

应用先进多媒体教学手段[14-17]引导学生熟悉虚拟仿真实验指导书、相关设计软件和范例例程，指导学生进行虚拟仿真环境的搭建和范例例程的演示。给学生提供范例内容的参考程序设计流程图、参考接口电路设计图和参考程序以及在Proteus ISIS环境下的仿真设计部分、虚拟仪器测试部分供参考，目的是让学生利用已有范例资源直接进行虚拟仿真测试和软硬件联合调试，尽快掌握原理和接口设计方法，把握待解决问题的关键所在，为后续自主设计、自由发挥打好基础。

经过这个过程，学生掌握了应用虚拟仿真软件Proteus ISIS实现设计方案及最终硬件实现方法，对相关实践流程有了更为系统的认识。

2.2.4 设计方案的实现、改进与展示

在“显示接口综合实验”项目的实施过程中，学生已经具备初步虚拟仿真设计能力和硬件实现能力。总结设计实现时发现的问题，帮助学生改进完善自己的虚拟仿真设计，顺利进入到最终的硬件实现阶段。

实验教学计划中安排学生后续的实验内容为8253和8259芯片的功能测试项目，引导学生通过对这些芯片的理解和掌握，完善改进“显示接口综合设计方案”中的功能，促进学生综合设计和创新能力的进一步提升。

学生通过作品展示环节不仅可以发现自己的特色和有待提高之处，而且可以相互学习方案理念和设计方法，提升了自主设计开发的能力和信心。

2.3 典型自主设计案例

学生在虚拟仿真环境中可以充分发挥想象力，自主模拟实际环境现场，而不受硬件条件的制约，既锻炼了学生设计应用能力，又培养了实践创新能力。

(1) 电子时钟(h-m-s)。利用常用接口芯片8253+8255+8259在Proteus ISIS虚拟仿真环境下实现的综合性设计方案(如图7所示)。程序设计中实现了满60进位并自动清零，利用定时中断提高时钟精度等功能。

图7 时钟显示设计原理图

(2) 交通信号灯模拟。利用常用接口芯片8253+8255在Proteus ISIS虚拟仿真环境下实现的综合性设计方案(如图8所示)。程序设计中实现了红黄绿等切换时闪烁提醒、左拐先行等功能。

图8 交通信号灯设计原理图

(3) PWM波控制显示。引导学生结合专业知识进行拓展性实验，进一步加深了学生对专业知识的理解，培养了学生的探索精神。PWM波控制设计如图9所示。

(4)抢答器。程序设计中实现了抢答后复位，显示抢答号以及抢答时间等功能。

图9 PWM波控制设计原理图

3 结 语

接口综合设计实验平台融合了先进的EDA技术，为培养学生综合设计和自主创新能力搭建了实践平台。以往微机原理接口部分实验项目涉及的内容相对单一，内容之综合性、设计性、复杂性不高，因而设计调试过程中遇到的问题相对简单、明显，而基于该实验平台的实验项目由于综合性和设计性的提高，对学生分析问题、解决问题等综合应用实践能力提出了更高的要求。通过对学生“接口综合设计实验”项目实验报告的分析、研究，学生应用 “接口综合设计实验平台”进行自主设计、自主实现的实验过程，无论是编程语言、逻辑思路、分析问题和解决问题的能力、设计与实践的结合等方面都有所收获和提高，并且增强了探索、挑战的信心和勇气。实践证明，该实验平台的开发与应用，拓宽了学生视野，提升了学生综合专业素养和开发创新能力，具有推广应用价值。

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[2] 姚燕南.微型计算机原理[M].4版.西安：西安电子科技大学,2003.

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·名人名言·

我们有力的道德就是通过奋斗取得物质上的成功；这种道德既适用于国家，也适用于个人。

——罗素

The Development and Application of “Interface Comprehensive Design” Experiment Platform

CHENZhen,WANGZhao

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

By combining the simulation design of advanced virtual simulation technology, the interface comprehensive design experiment platform based on 8086 microprocessor system is realized. By the application of this platform, the students can extend or exert freely and experiential learning, which can increase interest in experiment, build the initiative and exploratory experimental environment. Practices showed that the development and application of this experiment platform have put forward higher and more comprehensive requirements for students to master the function and use method of a variety of interface chip. It can not only deepen the understanding and mastering the theory knowledge, but also utilize the advantage of the experimental teaching system to realize the transition from the understanding basic knowledge to improving the comprehensive ability, and from verification thinking to designing and innovative thinking.

microcomputer principle; interface design; virtual simulation; comprehensive experiment platform

2015-09-22

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2011DX040)；中央高校基本科研业务费专项资金(11CX04045A)；中国石油大学(华东)精品实验建设项目(JS201407)

陈 真(1975-)，女，山东潍坊人，硕士，高级工程师，主要从事多媒体技术，计算机测控技术，虚拟仪器技术的教学研究工作，Tel.：13210859588；E-MAIL:chen_zhen_09@163.com

TP 399

A

1006-7167(2016)04-0135-05