基于虛實結合的遠程單片機學習平臺

陳春蓉

（西南大學計算機與信息科學院，重慶 400715）

單片機技術已走過了近40年的發展路程，其應用領域非常廣泛：汽車領域，醫療領域，商業辦公領域，手機等各種智能儀器領域［1］，滲入人類生活的方方面面。單片機技術已經逐漸成熟，學習單片機的人越來越多，掌握單片機已經成為科技領域中的一項必備技能。

目前在高校里面學生學習單片機編程的模式主要有2種：

①使用者單獨買一臺單片機，并配備好外圍設備及接口包括鍵盤、LCD顯示屏、外部中斷、I2C、SPI、PWM波等，花費上百元；如有需要再加上檢測儀器包括數字邏輯儀、萬用表、示波器等，花費上千元。它的缺點主要是價格昂貴；報廢系數較高，損壞后不容易維修，一般學員不會維修；使用時需攜帶整套單片機，外圍設備較大不易攜帶，使用不便。

②使用者不買單片機，編程好之后直接用仿真軟件仿真，例如keil c51、proteus等軟件，它的缺點主要是仿真軟件與實物電路有差別，仿真結果不準確。

針對這一現象，本文提出基于虛實結合的遠程單片機學習平臺，讓單片機學員可以更節約成本，更方便，同時結果真實可靠。其優勢如下：

對比傳統單片機

低成本：基于虛實結合的遠程單片機學習平臺采用嵌入式可擴展的方式建成，高度集成模塊化，可擴展，節約占地面積，方便維修，管理員無須投入過多資金和人力對其進行管理。對于使用者，只需在上位機編程，省去了硬件設施，極大地降低了學習成本。

方便快捷：基于虛實結合的遠程單片機學習平臺可隨時隨地進行編程仿真，極大幅度地提高了使用的便捷性。

對比仿真軟件

基于虛實結合的遠程單片機學習平臺和仿真軟件相比，前者解決了后者仿真結果不準確、仿真的外圍設施不全面的問題。且與仿真軟件相比較，遠程單片機只需在客戶端安裝app或是占用內存較小的計算機軟件［2］，可使仿真運行體積更小，更流暢。

1 遠程單片機學習平臺總體設計

1.1平臺總體架構

如圖1所示，遠程單片機學習平臺由客戶端包括手機端、電腦端；云平臺服務器端；網絡路由器連接的單片機平臺系統端組成，遠程單片機學習平臺采用C/S結構，即客戶機和服務器（Client/Server）結構［3］。由中心處理器連接所有端口，實現用戶與單片機終端的信息傳輸功能。當用戶通過手機端或電腦端請求仿真程序時，客戶端對用戶的請求進行有效響應，并通過網絡傳送至服務器端即云平臺。服務器端根據接收到的請求，經網絡傳送至實驗室網絡路由器端，再分配至空閑的單片機平臺系統端，運行及仿真后將結果返回給客戶端并將結果呈現給用戶。

圖1 系統外部結構圖

1.2客戶端

遠程單片機學習平臺的客戶端為智能手機或電腦，它為學習單片機編程的學員提供編程學習的環境，學員只需在局域網中登錄計算機客戶端軟件或是手機app端，選擇編程或仿真功能，即可通過云平臺連接單片機平臺并呈現返回的實驗結果，客戶端虛擬出LCD、鍵盤等外部設備方便與學員進行交互。這樣的客戶端可實現隨時隨地編程仿真。

1.3服務器端

服務器是連接上位機和單片機平臺系統終端的橋梁，是整個遠程系統的核心［4］，將用戶與實驗設備實現遠程連接。采用阿里云平臺，實現驗證用戶登錄、保存用戶信息、讀取上位機上傳數據，經處理發送至單片機平臺系統、讀取單片機平臺系統上傳數據，經處理后發送至上位機端、為用戶請求分配調度單片平臺等功能。

1.4單片機平臺系統終端

單片機平臺系統終端實現控制單片機程序下載運行和實驗數據采集返回。采用一對多的模式，表現為任何時候，每個使用者只有在下載程序到單片機上才會占用單片機，編程期間不占用單片機系統。每一臺單片機終端一天可以24小時提供使用；因嵌入式系統可擴展，還可以根據使用人數或者下載次數擴展單片機終端數目，實現系統的高效率。

2 單片機平臺系統終端設計

如圖2所示，單片機平臺系統終端由FPGA采集模塊，下載程序模塊，單片機運行模塊，電壓電流（U/I）模塊，嵌入式主機等組成。

2.1 FPGA采集

單片機采用FPGA將外圍參數真實地傳送至網絡服務器端。數據采集主要由FPGA進行，自動從LCD采集器、SPI采集器、I2C采集器、串口采集器、鍵盤采集器、指示燈采集器等采集器中獲取信號，傳給控制器進行進一步的信息傳輸處理。其過程可包括四個步驟：采樣、保持、量化和編碼，首先對輸入的不同模擬信號取樣，取樣結束后進入保持時間，在這段時間內將取樣的電參量化為數字量，然后編碼。按照一定的編碼格式給出轉換結果。然后再開始下一次取樣［5］。

圖2 單個單片機平臺系統結構圖

2.2控制器

采集器采集到的電參數需要經過控制器處理成直觀的電參量。所有數據結果包括圖形等經過控制器處理以文本字符的形式通過云平臺傳送給使用者終端，實現低成本、高效率、短時間的鏈接信息傳輸。

2.3 U/I采集器

采集單片機各引腳的電流、電壓。從分壓電阻取來的充電電壓信號經濾波后，被單片機周期采樣，將采樣信號轉化為數字電壓量［6］；從分流器輸出的信號采集出電流，經放大器放大電流及濾波后，將采樣信號轉化為數字電流量。用于提示學員單片機各引腳的端口電壓、端口電流。

圖3 下載器電路連接圖

圖4 軟件流程圖

2.4下載器

如圖3，采用USB及UART協議，網絡路由器可通過串口和MCU通訊，MCU再將接收到的程序放在固定的程序存儲器（片上ROM或EPROM），實現程序的外部下載及再執行。

2.5單片機模塊

單片機模塊為遠程實驗室硬件設備平臺，是單片機平臺系統終端中執行程序的主體部分。包括單片機，單片機的各種外圍設備及接口，其中，單片機的型號和數量可根據客戶需求確定，包括常用的ARM系列、TI系列、51系列等。單片機外圍設備通過單片機引腳直接與單片機實現通信。

2.6嵌入式主機

實現網絡連接，判斷當前輸入輸出信息的分配地址，自動實現下載程序、上傳仿真文本、上傳引腳電參數的三通道傳輸信號，保證傳送數據至網絡服務器端不產生數據沖突。

3 學習平臺軟件流程

本系統中涉及的上位機與單片機的連接方式、交流協議；內部資源與外部資源的信息上傳功能；遠程下載功能都已成熟。整個軟件控制流程圖如圖4所示：

使用者通過上位機即電腦或者手機上編程，鏈接網絡路由器，網絡路由器將程序下載到單片機終端并進行閑時仿真，自動選擇無人占用的單片機執行程序，單片機的每個引腳用數字邏輯儀得到信號，自動啟動必要的外圍設備及接口，檢測儀器等能對需要的數據進行測量。得到的結果送到上位機，上位機根據信號呈現出結果，虛擬出LCD、鍵盤、觸摸屏真實情形，同時得到過程波形，反映出單片機真實的運行結果。

單片機平臺的仿真結果傳輸至客戶端時，需要對傳輸的數據進行一定的文本處理，基本外圍設備傳輸的具體文本內容如表1；同時使用者也可編寫程序時在終端提出特別要求，對圖像的處理等保持原樣傳輸，此時控制器不對采集信號進行文本處理直接傳輸至客戶端，使數據結果更加直觀。

表1 傳輸內容表

4 結語

進入信息時代以后，社會對于掌握單片機的人才的需求越來越大，為單片機學習者提供一個便捷、低成本、活動性高的單片機學習平臺十分重要，本文首先闡述了單片機學習的背景，而后進一步地提出基于虛實結合的遠程單片機學習平臺的物理架構，軟件平臺。使得用戶可以隨時隨地通過客戶端軟件實現遠程單片機編程和仿真。

［1］施正寅，朱善安.基于Modelica的虛擬電工電子網絡實驗室設計［J］.計算機工程，2012（11）：112-113.

［2］張歡.虛實結合框架下的數字電路遠程網絡實驗［D］.浙江：浙江大學，2014.

［3］李云云.淺析B/S和C/S體系結構［J］.科學之友，2011（1）：72-75.

［4］張守恒.虛實結合網絡實驗室服務端設計與實現［D］.浙江：浙江大學，2013.

［5］諸一棟.基于FPGA的數據采集系統研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

［6］崔張坤.電動汽車鋰電池組高精度電壓電流檢測系統研究與設計［D］.沈陽：沈陽理工大學，2012.