如何仿真单片机的外围设备

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如何仿真单片机的外围设备


摘要：单片机开发需要良好的软件开发环境支持，现国内外已经有若干软件仿真器支持51系列单片机，但外围设备的仿真仍是软件仿真的一个薄弱环节。本文针对目前较为流行的Keil公司的51单片机软件仿真器，介绍如何利用VC++编写动态链接库，仿真单片机外围设备，从而为软件仿真器提出一新思路。    关键词：单片机 仿真 动态链接库
1 问题提出
目前，单片机因其诸多特点，在各行各业中得到了广泛的应用。单片机本身只有一个电子器件，只有和其它器件、设备有机地组合在一起，并配置适当的工作程序（软件）后，才能构成一个单片机的应用系统。因此，单片机的开发包括硬件和软件两个部分。单片机本身没有自开发功能，必须借助于开发工具。近年来， 随着个人计算机系统的不断普及，国内外推出了不少以PC机为基础的单片机开发系统；而软件模拟仿真器是一种新型的开发方法。这种方法是在PC机上，用软件来实现仿真，并配置一系列相关的服务程序，使用时，只要在PC机上运行该软件包，就可以对目标码程序进行调试。对于那些只是用到单片机内部资源的设计来说，可以在软件仿真器内完成仿真工作。但是，由于目前大多数厂商提供的产品还不能模拟单片机的外围设备（如液晶显示板），所以对于那些用到外部设备的设计来说，软件仿真器则显得力从心了。在这种情况下，笔者利用硬件软化的思想及面向对象、窗口等技术，将外围设备的功能在软件中实现。下面就针对Keil公司的51单片机软件仿真器，介绍如何利用VC++编写动态链接库，仿真单片机外围设备，从而弥补纯软件仿真的不足，最大限度地发挥软件仿真的威力。

2 方案构思
目前，Keil公司出品的51系列单片机软件仿真器已经成为国内流行的软件仿真器之一。Keil uVision2是一个标准的Windows应用程序，集成了C51编译器、A51汇编器、L51连接器、实时操作系统、项目管理器及调试器等，可以完成编辑、编译、链接、调试及仿真等整个开发流程，可以用IDE编译C或汇编源文件。
而单片机软件的设计总要和外部事件打交道，比如响应外部中断，检测某一引脚上输入信号电平的高低，完成A/D转换等；同时某些情况下，还要根据外部信号输出不同的控制信号。如果使用硬件仿真系统或在线调试器时，已有一个实实在在硬件环境，在调试时，可以利用目标系统提供给单片机各种信号的输入，以便测试单片机的实际运行情况。如果使用软件仿真器，没有任何硬件环境可以给出这些外部信号，所以外部信号的输入是面临的一个难题；此外单处常常需要和其它常用器件有机地组合在一起使用，如A/D芯片、液晶显示板等，如何仿真这些常用器件的功能，也是面临的一个难题。
一种解决的方法是，利用Keil提供的调试函数实现。调试函数可以模拟外部设备产生的给CPU的模拟和脉冲输入信号，还可以产生外部中断，周期性更新模拟输入,将串行数据送入片内串行口，解决了外部信号的输入问题。但dScope只支持特殊命令语句及一些特定的表达式，需要花费时间掌握调试命令；而且利用调试函数不能仿真外围设备的界面，不直观。
另一种解决的方法是，利用Keil提供的接口AGSI（Advanced Generic Simulator Interface），用VC++编写动态链接库，仿真单片机外围设备，从而解决外部信号的输入问题及界面问题。Keil提供的SDK是相当于Keil UV2仿真环境的一个插件，以DLL的形式提供在纯软件仿真模式下，仿真A/D芯片、仿真液晶显示板及键盘输入等功能，在PC上就可以开发，调试大部分与界面、功能相关的程序，而不须烧片子来调试、开发，效率将大在提高，成本将大大降低。
另一方面，与单片机配合使用的接口芯片比较固定，接法相对也比较固定，由用户自主开发DLL，模块可以共享，使仿真外围芯片和器件的DLL不断丰富。利用VC++的强大功能以及面向对象，窗口等技术，可以扩展外围设备的仿真功能，实现灵活、通用的面板功能，解决界面不直观的问题。


图3 仿真实现

3 实例分析
下面以传送带控制系统为例，介绍如何编写DLL实时仿真单片机的外围设备，其方法具有普遍意义。
3.1 传送带控制系统的组成原理
图1表示了传送带控制系统的示意图。（漏头中是小球。）
①料箱随传送带按运动方向向前移动。
②当料箱移动到漏斗下方进，传感器B反应，传送带停止运行，漏头落料门打开，单片机对落下的小球计数（通过传感器A计数）。
③当落下的小球数等于装箱数目时，关闭漏斗门，传送带移动。


图4 Debug页

    3.2 仿真的具体实现
图2是单片机的硬件电路图。此例中需要仿真的外围设备有：键盘（外供用户输入装箱的小球数目）、传感器（判断料箱是否移动到漏斗下方以及计数）和其它（如传送带）。
具体实现如下：
首先是在调试函数中设置断点，以便查看存储器内容以及控制目标文件与DLL库的执行顺序。其次是DLL的编写：
①加入AGSI.h(其中定义了外部仿真的接口及函数的原型)。
②写初始代码。包括创建AGSI，定义菜单及对话框，定义SFR、VTR，定义中断复位。
③建立用户界面。加入按钮(代表键盘)、指示灯图片（代表传感器）等。
④编写仿真代码，如图3所示。
⑤接口。
*VC中打开菜单Project->Setting，选取Custom Builder页，将编制好的DLL文件拷贝到Keil公司指定的安装路径..下，然后配置环境。
*keil中打开菜单project->Options for Target，选取Debug页，按图4输入。

    ⑥仿真结果。启动dScope，将自动载入8051仿真动态链接库S8051.DLL及自行设计的外部设备的仿真动态链接库KEY.DLL。用户输入程序，编译成功后进入调试状态，打开菜单Peripheral，会多出一个Interface。通过这个界面可以完成该软件的设计，而不需要外围设备。最终界面如图5所示。
4 小结
本文介绍了利用DLL仿真单片机外围设备的方法，其设计思想具一定的普遍性。软件仿真在硬件诊断、实时仿真等方面存在不足；但在教学研究中或没有硬件情况下，应用前景广泛，对于单片机教学以及程序开发具有一定的指导意义。

李小路

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