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如何仿真單片機的外圍設備
摘要：單片機開發需要良好的軟件開發環境支持，現國內外已經有若干軟件仿真器支持51系列單片機，但外圍設備的仿真仍是軟件仿真的一個薄弱環節。本文針對目前較為流行的Keil公司的51單片機軟件仿真器，介紹如何利用VC++編寫動態鏈接庫，仿真單片機外圍設備，從而為軟件仿真器提出一新思路。關鍵詞：單片機 仿真 動態鏈接庫
1 問題提出
目前，單片機因其諸多特點，在各行各業中得到了廣泛的應用。單片機本身只有一個電子器件，只有和其它器件、設備有機地組合在一起，并配置適當的工作程序（軟件）后，才能構成一個單片機的應用系統。因此，單片機的開發包括硬件和軟件兩個部分。單片機本身沒有自開發功能，必須借助于開發工具。近年來，(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)隨著個人計算機系統的不斷普及，國內外推出了不少以PC機為基礎的單片機開發系統；而軟件模擬仿真器是一種新型的開發方法。這種方法是在PC機上，用軟件來實現仿真，并配置一系列相關的服務程序，使用時，只要在PC機上運行該軟件包，就可以對目標碼程序進行調試。對于那些只是用到單片機內部資源的設計來說，可以在軟件仿真器內完成仿真工作。但是，由于目前大多數廠商提供的產品還不能模擬單片機的外圍設備（如液晶顯示板），所以對于那些用到外部設備的設計來說，軟件仿真器則顯得力從心了。在這種情況下，筆者利用硬件軟化的思想及面向對象、窗口等技術，將外圍設備的功能在軟件中實現。下面就針對Keil公司的51單片機軟件仿真器，介紹如何利用VC++編寫動態鏈接庫，仿真單片機外圍設備，從而彌補純軟件仿真的不足，最大限度地發揮軟件仿真的威力。
2 方案構思
目前，Keil公司出品的51系列單片機軟件仿真器已經成為國內流行的軟件仿真器之一。Keil uVision2是一個標準的Windows應用程序，集成了C51編譯器、A51匯編器、L51連接器、實時操作系統、項目管理器及調試器等，可以完成編輯、編譯、鏈接、調試及仿真等整個開發流程，可以用IDE編譯C或匯編源文件。
而單片機軟件的設計總要和外部事件打交道，比如響應外部中斷，檢測某一引腳上輸入信號電平的高低，完成A/D轉換等；同時某些情況下，還要根據外部信號輸出不同的控制信號。如果使用硬件仿真系統或在線調試器時，已有一個實實在在硬件環境，在調試時，可以利用目標系統提供給單片機各種信號的輸入，以便測試單片機的實際運行情況。如果使用軟件仿真器，沒有任何硬件環境可以給出這些外部信號，所以外部信號的輸入是面臨的一個難題；此外單處常常需要和其它常用器件有機地組合在一起使用，如A/D芯片、液晶顯示板等，如何仿真這些常用器件的功能，也是面臨的一個難題。
一種解決的方法是，利用Keil提供的調試函數實現。調試函數可以模擬外部設備產生的給CPU的模擬和脈沖輸入信號，還可以產生外部中斷，周期性更新模擬輸入,將串行數據送入片內串行口，解決了外部信號的輸入問題。但dScope只支持特殊命令語句及一些特定的表達式，需要花費時間掌握調試命令；而且利用調試函數不能仿真外圍設備的界面，不直觀。
另一種解決的方法是，利用Keil提供的接口AGSI（Advanced Generic Simulator Interface），用VC++編寫動態鏈接庫，仿真單片機外圍設備，從而解決外部信號的輸入問題及界面問題。Keil提供的SDK是相當于Keil UV2仿真環境的一個插件，以DLL的形式提供在純軟件仿真模式下，仿真A/D芯片、仿真液晶顯示板及鍵盤輸入等功能，在PC上就可以開發，調試大部分與界面、功能相關的程序，而不須燒片子來調試、開發，效率將大在提高，成本將大大降低。
另一方面，與單片機配合使用的接口芯片比較固定，接法相對也比較固定，由用戶自主開發DLL，模塊可以共享，使仿真外圍芯片和器件的DLL不斷豐富。利用VC++的強大功能以及面向對象，窗口等技術，可以擴展外圍設備的仿真功能，實現靈活、通用的面板功能，解決界面不直觀的問題。
圖3 仿真實現
3 實例分析
下面以傳送帶控制系統為例，介紹如何編寫DLL實時仿真單片機的外圍設備，其方法具有普遍意義。
3.1 傳送帶控制系統的組成原理
圖1表示了傳送帶控制系統的示意圖。（漏頭中是小球。）
①料箱隨傳送帶按運動方向向前移動。
②當料箱移動到漏斗下方進，傳感器B反應，傳送帶停止運行，漏頭落料門打開，單片機對落下的小球計數（通過傳感器A計數）。
③當落下的小球數等于裝箱數目時，關閉漏斗門，傳送帶移動。
圖4 Debug頁
3.2 仿真的具體實現
圖2是單片機的硬件電路圖。此例中需要仿真的外圍設備有：鍵盤（外供用戶輸入裝箱的小球數目）、傳感器（判斷料箱是否移動到漏斗下方以及計數）和其它（如傳送帶）。
具體實現如下：
首先是在調試函數中設置斷點，以便查看存儲器內容以及控制目標文件與DLL庫的執行順序。其次是DLL的編寫：
①加入AGSI.h(其中定義了外部仿真的接口及函數的原型)。
②寫初始代碼。包括創建AGSI，定義菜單及對話框，定義SFR、VTR，定義中斷復位。
③建立用戶界面。加入按鈕(代表鍵盤)、指示燈圖片（代表傳感器）等。
④編寫仿真代碼，如圖3所示。
⑤接口。
*VC中打開菜單Project->Setting，選取Custom Builder頁，將編制好的DLL文件拷貝到Keil公司指定的安裝路徑..下，然后配置環境。
*keil中打開菜單project->Options for Target，選取Debug頁，按圖4輸入。
⑥仿真結果。啟動dScope，將自動載入8051仿真動態鏈接庫S8051.DLL及自行設計的外部設備的仿真動態鏈接庫KEY.DLL。用戶輸入程序，編譯成功后進入調試狀態，打開菜單Peripheral，會多出一個Interface。通過這個界面可以完成該軟件的設計，而不需要外圍設備。最終界面如圖5所示。
4 小結
本文介紹了利用DLL仿真單片機外圍設備的方法，其設計思想具一定的普遍性。軟件仿真在硬件診斷、實時仿真等方面存在不足；但在教學研究中或沒有硬件情況下，應用前景廣泛，對于單片機教學以及程序開發具有一定的指導意義。
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