摘要

　　邏輯電路與單片機課程是高校電子和計算機相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程。然而,在電路仿真實(shí)驗領(lǐng)域長(cháng)期由國外軟件壟斷。隨著(zhù)國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的建設,自主研發(fā)邏輯電路與單片機的虛擬實(shí)驗系統成了一項緊迫的任務(wù)。目前我國開(kāi)展的遠程教育仍以理論學(xué)習為主,難以開(kāi)展實(shí)驗實(shí)踐課程。另外一些高校雖然有設備開(kāi)展邏輯電路與單片機課程,但是在進(jìn)行仿真時(shí)只能使用單機版軟件,教師無(wú)法及時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習情況,如果能將教學(xué)平臺搬到網(wǎng)上,將會(huì )提高相應課程的教學(xué)效果。與此同時(shí),單片機等實(shí)驗需要多種軟件,學(xué)生同時(shí)需要學(xué)習幾種新的軟件,給老師和學(xué)生都帶來(lái)了不便。

　　目前國內部分高校和研宄機構推出了網(wǎng)絡(luò )版的數字電路虛擬實(shí)驗,但是在進(jìn)行復雜電路仿真時(shí)會(huì )出現緩慢甚至錯誤的情況。在單片機實(shí)驗方面還缺少成熟的虛擬實(shí)驗平臺產(chǎn)品。虛擬實(shí)驗研宄室現有的基于網(wǎng)絡(luò )的邏輯電路和單片機實(shí)驗釆用了將C++程序嵌入Java虛擬機的方法,運行速度受到影響,并且還需要配合其他軟件進(jìn)行指令編譯。

　　為了解決上述問(wèn)題,本文提出了一種采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的,基于Web的邏輯電路與單片機的虛擬實(shí)驗系統設計方法和實(shí)現方式。本文對邏輯電路和單片機實(shí)驗進(jìn)行了研宄,提出了數學(xué)建模和仿真算法。釆用了 MVC體系結構模式的軟件架構,通過(guò)迭代的方式進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。建立了適合邏輯電路仿真的狀態(tài)表,通過(guò)傳遞消息隊列的方式完成元件模塊和消息模塊的設計。

　　在設計單片機部分通過(guò)分成單片機內核組成、單片機指令設計、用戶(hù)交互方式、導入hex文件的方式實(shí)現,使本系統能獨立完成單片機實(shí)驗內容。為了提高仿真速度,本系統釆用多線(xiàn)程并發(fā)的方式,借助于Java支持的原生線(xiàn)程池,實(shí)現軟件內核的事件處理機制和多線(xiàn)程的交互過(guò)程。

　　最后,由兩個(gè)典型實(shí)驗來(lái)驗證本系統仿真的正確性。

　　關(guān)鍵詞:邏輯電路 單片機 虛擬實(shí)驗 模塊 多線(xiàn)程

Abstract

　　Logic circuit and single-chip computer courses is the required course for students majoring in electronics and computer related. However, the field of circuit simulation experiment is the monopoly of foreign software. With the construction of the national virtual simulation experiment teaching center, independent research and development logic circuit and single-chip microcomputer system has become a pressing task. At present the remote education in our country is given priority with theoretical study, still hard to carry out experimental practice curriculum. And although there are some college equipment to carry out the logic circuit and MCU course, but stand-alone version can only be used by the simulation software, teachers can not timely tracking students learning situation. If it will be moved to online teaching platform, the course will improve the teaching effect. At the same time, some experiments, like MCU experiment, need a variety of software. Students must learn several new software at the same time. It brought inconvenience to the teacher and students.

　　At present the online virtual digital circuit experiments are launched by universities and research institutions, but slowly even error occurs on complex circuit simulation. In respect of single-chip virtual experiment is lack of mature cross-platform product. The existing logic circuit and the experiment that based on network by our virtual laboratory embedded the C++ program in Java virtual machine. Running speed of this method is affected. And other software is needed to complete compilation.

　　In order to solve the above problems, logic circuit and single-chip microcomputer system design method is proposed and implemented in this paper, using Java language development and based on Web. By studying the logic circuit simulation, this paper propose a mathematical modeling and simulation algorithm. Using the MVC architecture pattern of software architecture, software development completed by the way of iterative process. The status table about logic circuit simulation status is completed. The component modules and messaging module design through the way of message queue.

　　Kernel part in the design of single-chip microcomputer by dividing into the single-chip computer, single-chip microcomputer instruction design,user interaction, import the hex file, make this system can independently complete MCU experiment content. In order to improve the simulation speed,the system adopts multi-thread concurrent manner,with the help of the Java support native thread pool, implementing software kernel event handling mechanism and the interaction process of multithreading. Finally, two typical experiment used to verify the correctness of the system simulation.

　　KEY WORDS logic circuit,microcomputer, virtual experiment, module, multi-thread

　　數字邏輯電路及其相關(guān)課程是各大高等院校電子類(lèi)和計算機相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎課,教育部也強調了課程的性質(zhì)是“電子技術(shù)方面入門(mén)性質(zhì)的技術(shù)基礎課” 。開(kāi)展數字邏輯電路理論學(xué)習的同時(shí),進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗也是必不可少的。由于學(xué)校經(jīng)費有限,往往2個(gè)學(xué)生或多個(gè)學(xué)生在一個(gè)實(shí)驗臺上進(jìn)行操作,合作完成實(shí)驗內容。學(xué)生水平參差不齊,有些學(xué)生還沒(méi)領(lǐng)會(huì )到實(shí)驗要點(diǎn),別的學(xué)生已經(jīng)將實(shí)驗做完了。因此,通過(guò)虛擬實(shí)驗系統進(jìn)行軟件仿真能很好地提高教學(xué)質(zhì)量,幫助學(xué)生更牢固地掌握相關(guān)知識點(diǎn)。

　　單片機相關(guān)課程是高等院校本科、專(zhuān)科,高職高專(zhuān)及大中專(zhuān)工業(yè)自動(dòng)化、電子信息、通信工程、機械等專(zhuān)業(yè)和計算機專(zhuān)業(yè)及其他各類(lèi)工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)都要開(kāi)展的課程。

　　就目前國內的實(shí)驗教學(xué)而言,單片機實(shí)驗可以分為兩種,一種是用含有單片機的專(zhuān)用試驗箱進(jìn)行硬件的實(shí)驗,另一種是用軟件仿真的方式進(jìn)行實(shí)驗。兩種方式有利有弊,用單片機實(shí)驗箱進(jìn)行硬件實(shí)驗最為直觀(guān),但是容易因為學(xué)生的不當操作燒毀片子,甚至引發(fā)事故。進(jìn)行軟件仿真能在減少事故發(fā)生的同時(shí)讓學(xué)生得到相應的仿真結果。但是,目前國外軟件價(jià)格昂貴,例如Multisim售價(jià)高達人民幣2萬(wàn)多元,Proteus Platinum Edition售價(jià)更是將近7千美元,令許多學(xué)校望而卻步。而且國外相關(guān)軟件并不是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)驗教學(xué)的,對教學(xué)方式的支持力度有限。因此,設計并完成單片機虛擬實(shí)驗可以與國外軟件在教學(xué)市場(chǎng)上一較高下。

　　網(wǎng)絡(luò )系統與網(wǎng)絡(luò )文化北京市重點(diǎn)實(shí)驗室已經(jīng)在虛擬實(shí)驗教學(xué)方面進(jìn)行了多年的探索,己經(jīng)有了豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗,發(fā)布了 OWVlab系列的虛擬實(shí)驗系統,其中包括開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)管理平臺、計算機網(wǎng)絡(luò )課程虛擬實(shí)驗系統、數字信號處理虛擬實(shí)驗系統、電路課程虛擬實(shí)驗系統、通信原理虛擬實(shí)驗系統等。依托于實(shí)驗室的基礎,對現有基于單線(xiàn)程的邏輯電路虛擬實(shí)驗系統進(jìn)行改進(jìn),并且加入單片機模塊,使得單片機實(shí)驗在一個(gè)軟件中完成,將能把更多的實(shí)驗納入虛擬實(shí)驗系統。

　　復雜的操作系統使用環(huán)境使得Java技術(shù)自1996年第一次發(fā)布以來(lái)就引起人們的極大興趣。Java可以撰寫(xiě)跨平臺應用軟件的特點(diǎn)讓軟件的通用性得到提高。基于Java的虛擬實(shí)驗系統可以讓用戶(hù)從不同的操作系統中運行,對虛擬實(shí)驗室建設的依賴(lài)性降到最低。

　　在國內,高校中進(jìn)行仿真實(shí)驗多以使用國外軟件為核心,如以Proteus和Keil為實(shí)驗工具,自己設計具體實(shí)驗流程為輔助進(jìn)行。這些仿真實(shí)驗的創(chuàng )新點(diǎn)在于實(shí)驗設計及實(shí)驗流程的創(chuàng )新,其中介紹了采用創(chuàng )建虛擬實(shí)驗室,用Keil C51程序編寫(xiě)軟件,用Proteus繪制仿真電路,完成A/D轉換等單片機與數字電路的實(shí)驗。這樣雖然能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗,但是缺乏對于實(shí)驗工具的深入研宄。同時(shí),在一些電路虛擬實(shí)驗中釆用Java混合其他編程語(yǔ)言的方法,如C和C++的混合編程。這樣的方法的缺點(diǎn)是喪失平臺可移植性,并且電路仿真方式調用Spice組件時(shí)會(huì )影響數字電路仿真速度。隨著(zhù)2012年《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》的出臺和落實(shí),高校實(shí)驗課程建設有了新的發(fā)展。文件中提出來(lái)啟發(fā)式、探宄式、討論式、參與式教學(xué)等一些創(chuàng )新教育教學(xué)方法。加大對實(shí)驗的投入,提出加快科研成果的轉化,讓更多學(xué)生能夠進(jìn)行相關(guān)課程的實(shí)驗,使得學(xué)生的動(dòng)手能力得到提高。2014年,有100個(gè)高等院校實(shí)驗室入選首批國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心,其中,有關(guān)電路仿真的教學(xué)實(shí)驗中心有:北京郵電大學(xué)的電子信息虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心,華北電力大學(xué)的電力工業(yè)全過(guò)程仿真實(shí)驗教學(xué)中心,東南大學(xué)的機電綜合虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心,電子科技大學(xué)的電子與通信系統虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心,西安電子科技大學(xué)的電子信息與通信虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心,解放軍理工大學(xué)通信與電子信息虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心。伴隨著(zhù)這些虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的建設,國內的仿真軟件也將得到發(fā)展。

　　虛擬實(shí)驗室在一些國家已十分普及,他們非常重視虛擬實(shí)驗室的研宄,并已將虛擬實(shí)驗室列入其科研發(fā)展的戰略規劃。許多大學(xué)都已組建了面向教育的虛擬實(shí)驗室。例如,加泰羅尼亞開(kāi)放大學(xué)是一所完全虛擬的大學(xué),在該大學(xué)中無(wú)法進(jìn)行面對面的課堂教學(xué),依然可以利用虛擬實(shí)驗技術(shù)進(jìn)行計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗。通過(guò)對過(guò)去11年的虛擬實(shí)驗室教學(xué)效果的問(wèn)卷調查,用于加泰羅尼亞開(kāi)放大學(xué)思科網(wǎng)絡(luò )技術(shù)學(xué)院VNLab結構得到驗證。文獻中主要介紹了計算機網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗的實(shí)現,計算機網(wǎng)絡(luò )與數字電路的實(shí)驗相似,都需要通過(guò)各個(gè)節點(diǎn)信息的流動(dòng),仿真獲得最后的結果。然而,計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗的結果呈現是以文字呈現的,而邏輯電路與單片機系統中實(shí)驗結果需要用圖像展示。昆士蘭大學(xué)用虛擬實(shí)驗技術(shù)及HTML5技術(shù)建立了藥理學(xué)世界,用于藥理學(xué)教學(xué)。HTML5技術(shù)可以將簡(jiǎn)單的圖形顯示得很漂亮,但是要在HTML5中進(jìn)行大數據量的仿真實(shí)驗卻是很困難的。因此在選擇虛擬實(shí)驗展示時(shí)是否采用HTML5技術(shù)需要進(jìn)一步研究。印度信息技術(shù)協(xié)會(huì )也提出了虛擬實(shí)驗室的構建方案——DISCOVIR。DISCOVIR是異步虛擬實(shí)驗系統,運用了以下多禾中技術(shù):Flash and Actionscript、Java2D and JavaSD、Javascript and Libraries、Php、Scribble and Scheme。如果按照文章中的混合多種技術(shù)建立虛擬實(shí)驗室的方法需要很大的工作量,開(kāi)發(fā)多門(mén)課程時(shí)也不能很好的復用先前開(kāi)發(fā)的課程。因此,我們在開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗系統時(shí)選擇只用Java語(yǔ)言,增大通用性的同時(shí)也為后續實(shí)驗的幵發(fā)提供方便。Norihiro Fujii教授也提出來(lái)在數字電路實(shí)驗中運用遠程實(shí)驗的方法。在Norihiro Fujii教授的文章中闡述了遠程教育技術(shù)開(kāi)展FPGA實(shí)驗的系統設計,提出了 FPGA實(shí)驗系統的工作流程,這能夠給我們設計新的電路虛擬實(shí)驗系統提供幫助。

　　一些國外知名軟件企業(yè)研發(fā)的軟件功能強大,元器件覆蓋全面,但是對于學(xué)生實(shí)驗方面有所缺陷。而且,軟件多是單機版,價(jià)格昂貴,部署復雜,教師與學(xué)生對于實(shí)驗結果的溝通交流無(wú)法在軟件內實(shí)現。

　　就虛擬實(shí)驗的發(fā)展來(lái)看,隨著(zhù)我國乃至世界上各個(gè)國家加大對虛擬實(shí)驗的投入,許多虛擬實(shí)驗軟件逐漸完成Web化的過(guò)程,在高校實(shí)驗平臺的建設中取系單一的單機版仿真軟件,在不久的將來(lái)就能實(shí)現。

　　邏輯電路與單片機的虛擬實(shí)驗系統是在參考國內外許多實(shí)驗方案的基礎上進(jìn)行重新設計與研究的。許多虛擬實(shí)驗室方案是基于Multisim、Proteus建設的,這些軟件強大的功能將提供給老師學(xué)生優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品體驗。然而,通過(guò)體驗這搜敎件,我們也可以找到軟件中存在不少問(wèn)題,這也給教師的授課帶來(lái)不便,尤其是很難與國外軟件工程師進(jìn)行溝通來(lái)改進(jìn)現有軟件,使得教師實(shí)驗計劃需要被迫改變。進(jìn)行自主設計研發(fā)虛擬實(shí)驗系統可以避免這個(gè)問(wèn)題,使教學(xué)質(zhì)量得到提高。本課題將首先調研國外單機版軟件的功能,建模方式,尋找突破點(diǎn),并實(shí)現在Web上可以順利進(jìn)行所有預先設計好的實(shí)驗。

Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)邏輯電路與單片機的虛擬實(shí)驗系統設計：

Proteus界面圖

 
WAVE 6000界面圖

MVC架構模式功能設計

迭代與發(fā)布版本完整度

目錄

　　第一章 緒論

　　　　1.1 研究意義
　　　　1.2 邏輯電路與單片機的研究現狀和發(fā)展趨勢
　　　　1.3 主要研究?jì)热?br /> 　　　　1.4 論文結構安排

　　第二章 仿真軟件研究

　　　　2.1 電路仿真軟件
　　　　　　2.1.1 Proteus
　　　　　　2.1.2 Multisim
　　　　　　2.1.3 PSpice
　　　　2.2 單片機
　　　　2.3 單片機仿真軟件
　　　　　　2.3.1 WAVE 6000
　　　　　　2.3.2 MedWin
　　　　　　2.3.3 Kei I C51
　　　　2.4 本章小結

　　第三章 仿真軟件設計框

　　　　3.1 邏輯電路和單片機仿真軟件整體框架設計
　　　　3.2 電路+消息傳遞過(guò)程
　　　　3.3 元件模塊消息模塊
　　　　　　3.3.1 元件模塊
　　　　　　3.3.2 消息模塊
　　　　3.4 系統的整合
　　　　3.5 本章小結

　　第四章軟件內部邏輯處理

　　　　4.1 數字電路的內部邏輯
　　　　　　4.1.1 簡(jiǎn)單的元件組成
　　　　　　4.1.2 時(shí)序邏輯部分
　　　　4.2 單片機內核部分
　　　　　　4.2.1 單片機內核
　　　　　　4.2.2 指令的設計
　　　　　　4.2.3 CLI 控制
　　　　　　4.2.4 導入hex文件
　　　　4.3 多線(xiàn)程并發(fā)
　　　　　　4.3.1 事件處理機制
　　　　　　4.3.2 多線(xiàn)程的實(shí)現
　　　　　　4.3.3 多程交互流程
　　　　4.4 本章小結

　　第五章 邏輯電路與單片機的虛擬實(shí)驗案例

　　　　5.1 端口I/O實(shí)驗
　　　　5.2 跳器實(shí)驗
　　　　5.3 本章小結

　　第六章 總結與展望

　　參考文獻
　　致謝

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