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淺談接口綜合設(shè)計實驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用論文
“微機原理匯編及接口設(shè)計”是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握計算機硬件知識和匯編語言程序設(shè)計的入門課程，基礎(chǔ)性、技術(shù)性、應(yīng)用性和工程實踐性強。課程以微處理器、總線、接口和程序設(shè)計為主線，要求學(xué)生掌握微型計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、CPU 工作原理和指令系統(tǒng)，學(xué)會合理選用存儲器和接口芯片，并能根據(jù)不同的要求分析和設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，用編程的方法實現(xiàn)定時、I/O口控制、按鍵、顯示、中斷等功能。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠鞏固和加深對先修課程知識的理解，為進一步學(xué)習(xí)儀器儀表、測量控制、計算機控制、單片機原理、嵌入式系統(tǒng)等專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)和微機軟硬件應(yīng)用基礎(chǔ)。該課程是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)。
原“微機原理匯編及接口設(shè)計”課程的硬件設(shè)計實驗只需按照接線引腳圖即可完成，學(xué)生缺乏對接口電路設(shè)計環(huán)節(jié)的應(yīng)用練習(xí)。以經(jīng)典的“數(shù)碼管顯示”實驗為例，大多沿用“簡單的輸出接口”實驗中接口設(shè)計電路進行調(diào)試，不能充分鍛煉學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。筆者在原有的教學(xué)實驗裝置上，設(shè)計開發(fā)了基于8086微處理器的“接口綜合設(shè)計”實驗平臺。該平臺不但能很好地幫助學(xué)生深入理解和靈活運用理論知識，還能幫助學(xué)生提高綜合應(yīng)用的能力，實現(xiàn)從驗證性思維到設(shè)計、創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變。
1 接口綜合設(shè)計實驗平臺的設(shè)計
1.1 平臺設(shè)計方案
接口綜合設(shè)計實驗的建設(shè)應(yīng)該在傳承經(jīng)典的基礎(chǔ)上，更加適應(yīng)實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢，豐富其內(nèi)涵。接口綜合設(shè)計實驗平臺的設(shè)計理念是營造探索性實驗環(huán)境，注重實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，通過融合先進的EDA技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。
接口綜合設(shè)計實驗是在現(xiàn)有教學(xué)實驗裝置上，融合了8086微處理器的系統(tǒng)仿真設(shè)計，并選用Proteus作為系統(tǒng)仿真軟件。Proteus是一款EDA工具軟件，是基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系統(tǒng)，軟硬件設(shè)計仿真平臺Proteus 7.5提供了VSMfor 8086模塊，增加對8086CPU 的仿真，為培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力和自主創(chuàng)新能力提供了技術(shù)支撐。
結(jié)合設(shè)計的實驗項目，提供了程序設(shè)計流程圖、參考接口電路設(shè)計圖、參考程序的范例內(nèi)容，以及在Proteus環(huán)境下的仿真設(shè)計、虛擬儀器測試等內(nèi)容供參考，目的是讓學(xué)生利用已有范例資源直接進行虛擬仿真測試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試，盡快掌握原理和接口設(shè)計方法，為后續(xù)實驗的自主設(shè)計、自由發(fā)揮打好基礎(chǔ)。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
應(yīng)用Proteus進行8086接口技術(shù)仿真，主要是在Proteus ISIS中編輯電路原理圖、設(shè)置外部代碼編譯器、編寫和添加源代碼及仿真調(diào)試。搭建一個培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力和自主創(chuàng)新能力的實踐平臺，需要解決幾個關(guān)鍵問題。
1.2.1 I/O地址譯碼電路設(shè)計
現(xiàn)有教學(xué)實驗箱上選用64個I/O地址，分Y0—Y7共8組輸出，地址分別為280H—287H、288H—28FH、290H—297H、298H—29FH、2A0H—2A7H、2A8H—2AFH、2B0H—2B7H、2B8H—2BFH。8條輸出線在實驗箱的I/O地址處分別由自鎖緊插孔Y0—Y7引出。。
結(jié)合實驗箱I/O地址譯碼電路，利用8086微處理器和相關(guān)外圍芯片構(gòu)造I/O 譯碼電路，并存成部件組。在Proteus仿真設(shè)計環(huán)境中用到的仿真元件信息。
1.2.2 加載匯編程序
現(xiàn)有的教學(xué)實驗箱是通過USB接口將實驗箱信號傳送到微機，USB模塊產(chǎn)生的仿ISA總線信號直接從實驗箱上輸出。為了培養(yǎng)學(xué)生對于接口電路的仿真設(shè)計能力，要求學(xué)生先進行匯編語言程序設(shè)計，并加載到Proteus環(huán)境下的仿真設(shè)計接口電路中進行虛擬儀器測試，確定滿足要求的接口電路設(shè)計方案，再利用現(xiàn)有教學(xué)實驗箱和接口開發(fā)環(huán)境進行硬件電路接線和軟硬件聯(lián)調(diào)。
1.2.3 子電路設(shè)計和使用
結(jié)合精品實驗項目設(shè)計的側(cè)重點，在Proteus環(huán)境下將部分常用電路(例如I/O 接口譯碼電路)設(shè)計為子電路，方便學(xué)生進行仿真電路設(shè)計時直接使用。分析現(xiàn)有教學(xué)實驗箱上I/O 地址選用情況，設(shè)計了Proteus環(huán)境下I/O接口譯碼子電路和使用。
2 應(yīng)用案例
2.1 案例內(nèi)容
以經(jīng)典的“數(shù)碼管顯示”實驗為例，其中的“顯示接口綜合實驗”項目的實施內(nèi)容以微機系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，貫穿多個接口芯片的功能應(yīng)用，注重營造探索性實驗環(huán)境，著重提高學(xué)生靈活應(yīng)用多種接口芯片的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。
該實驗要求學(xué)生掌握數(shù)碼管的顯示原理，實現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)和動態(tài)顯示。學(xué)生經(jīng)過簡單的輸入、輸出接口實驗，已熟悉接口電路設(shè)計的基本原則、緩沖器和鎖存器在接口電路中的作用，對于可編程并行接口芯片8255A、可編程定時器/計數(shù)器芯片8253也有了初步了解。范例采用層次化設(shè)計方法，由簡單到復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握顯示接口設(shè)計的要點。
演示實驗利用數(shù)碼管循環(huán)顯示數(shù)字單字符(0—9)，在學(xué)生掌握動態(tài)顯示原理后，利用數(shù)碼管同時顯示2個字符(如“EF”)，最后利用數(shù)碼管實現(xiàn)循環(huán)顯示數(shù)字(0—99)。
2.2 應(yīng)用案例的實施過程
2.2.1 注重引導(dǎo)，逐步完善
在顯示接口綜合設(shè)計實驗教學(xué)開始階段，注重引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗的要求自主制訂虛擬仿真實驗的初步設(shè)計方案。隨著理論知識的增加，學(xué)生可以自主改進方案、完善功能，并最終自主完成實驗，使綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉，提出問題和解決問題的實踐能力得到提高。
為方便師生交流、保證實驗進度，建立了“微機原理虛擬仿真”QQ群，并公布了答疑和提交仿真設(shè)計方案的郵箱(virtualsimulation@163.com)。學(xué)生在制訂虛擬仿真初步設(shè)計方案的過程中，由于剛剛開始接觸接口部分的理論知識，因而略顯被動和隨意，但在逐步深入地學(xué)習(xí)后續(xù)課程內(nèi)容的過程中，會根據(jù)自己所掌握知識的更新和積累，主動完善自己的設(shè)計方案。此時，學(xué)生被動思維模式轉(zhuǎn)為主動思維模式，學(xué)習(xí)更具有探索性和目的性。
2.2.2 掌握相關(guān)平臺的使用和流程
當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了接口實驗預(yù)備知識并做過簡單輸入輸出接口實驗后，對實驗箱和硬件設(shè)計過程便有了初步的了解和認識，可以提供給學(xué)生虛擬仿真實驗指導(dǎo)書、相關(guān)設(shè)計軟件和演示例程，指導(dǎo)學(xué)生進行虛擬仿真環(huán)境的搭建和例程的演示。
經(jīng)過這個過程，學(xué)生可以學(xué)會使用虛擬仿真軟件Proteus進行方案設(shè)計和硬件實現(xiàn)方法。在顯示接口綜合實驗項目的實施過程中，教師要針對學(xué)生遇到的問題，講解Proteus軟件的一些基本使用方法和注意事項，幫助學(xué)生改進自己的虛擬仿真設(shè)計。虛擬仿真設(shè)計成功，就可以進行最終的硬件實現(xiàn)流程。
2.2.3 后續(xù)改進與作品展示
學(xué)生后續(xù)的實驗內(nèi)容為8253和8259芯片的功能測試項目，該項目引導(dǎo)學(xué)生通過對這些芯片的理解和掌握，進一步改進顯示接口綜合設(shè)計方案。顯示接口綜合實驗完成后要進行設(shè)計作品的展示。學(xué)生通過展示作品，可以發(fā)現(xiàn)作品的價值和有待改進之處，而且可以學(xué)習(xí)到其他同學(xué)的設(shè)計理念和設(shè)計方法，培養(yǎng)了探索精神，提升了自主設(shè)計、開發(fā)的能力和信心。
2.3 典型自主設(shè)計案例
顯示接口綜合實驗注重基于任務(wù)驅(qū)動的情景化教
學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進行體驗性學(xué)習(xí)，營造自主探索的實驗環(huán)境;啟發(fā)學(xué)生在范例內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主設(shè)計的任務(wù)情境，充分發(fā)揮、擴展創(chuàng)新;培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計創(chuàng)新能力和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力;鼓勵學(xué)生查閱資料并自主制訂多種設(shè)計方案，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和探索精神，親身去體驗實驗的基礎(chǔ)性、獨創(chuàng)性、多樣性和研究性;引導(dǎo)學(xué)生借助于Proteus仿真軟件自主設(shè)計電路，然后把軟件仿真的結(jié)果移植到硬件實驗箱中，體驗從仿真到應(yīng)用的科學(xué)設(shè)計流程。學(xué)生自主設(shè)計的內(nèi)容是：選取可以利用顯示接口的項目進行方案設(shè)計，例如交通信號燈設(shè)計、搶答器設(shè)計、時鐘顯示設(shè)計、空調(diào)或冰箱溫度設(shè)定與顯示設(shè)計等。學(xué)生可自主設(shè)計項目的具體功能、可自由擴展發(fā)揮，不同側(cè)重點的設(shè)計方案對學(xué)生靈活掌握多種接口芯片的功能與使用方法有不同的要求。
(1)交通信號燈的仿真設(shè)計案例。學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下初步設(shè)計實驗方案、改進功能，最終實現(xiàn)常用接口芯片8253+8255的綜合性設(shè)計方案，并利用現(xiàn)有實驗箱完成仿真實驗。該虛擬仿真環(huán)境為學(xué)生提供了充分發(fā)揮想象力的空間，學(xué)生可以自主仿真實際環(huán)境現(xiàn)場。通過仿真設(shè)計，交通信號燈接口實驗可以形象表達而不受硬件條件的制約，既鍛煉了學(xué)生理論知識的應(yīng)用能力，又培養(yǎng)了學(xué)生理論結(jié)合實際的實踐創(chuàng)新能力。
(2)搶答器設(shè)計案例。以往的實驗項目涉及的內(nèi)容相對單一，設(shè)計的綜合性、復(fù)雜性不高，因而設(shè)計調(diào)試過程中遇到的問題相對簡單、明顯;而由于本實驗項目提高了綜合性和設(shè)計性，在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題也變得比較復(fù)雜，對學(xué)生分析問題、解決問題和綜合實踐能力提出了更高的要求。通過對學(xué)生實驗報告的分析可知，學(xué)生通過自主設(shè)計、自主實現(xiàn)的過程，在編程語言、邏輯思路、分析問題和解決問題的能力、設(shè)計與實踐的結(jié)合等方面都有所收獲和提高，并且增強了探索、挑戰(zhàn)的信心和勇氣。
3 結(jié)語
接口綜合設(shè)計實驗平臺融合了EDA 技術(shù)，搭建了培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和自主創(chuàng)新能力的實踐平臺。通過實際應(yīng)用證明，該實驗平臺拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)了學(xué)生從基礎(chǔ)知識理解到綜合能力提高的轉(zhuǎn)變、從驗證性思維到創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變，可供相關(guān)院校參考。
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