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                        Java語言開發邏輯電路與單片機的虛擬實驗系統設計

                        添加時間:2019/06/14 來源:北京郵電大學 作者:黃嶸
                        在開發本次項目之前,首先對于這個系統的需求進行深入研宄。本系統要求跨平臺性,可以集成在實驗室已有的虛擬實驗平臺中,要簡化學生操作流程,在一個軟件中完成實驗,必不可少的是虛擬實驗仿真結果的正確性。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          邏輯電路與單片機課程是高校電子和計算機相關專業學生的必修課程。然而,在電路仿真實驗領域長期由國外軟件壟斷。隨著國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設,自主研發邏輯電路與單片機的虛擬實驗系統成了一項緊迫的任務。目前我國開展的遠程教育仍以理論學習為主,難以開展實驗實踐課程。另外一些高校雖然有設備開展邏輯電路與單片機課程,但是在進行仿真時只能使用單機版軟件,教師無法及時跟蹤學生的學習情況,如果能將教學平臺搬到網上,將會提高相應課程的教學效果。與此同時,單片機等實驗需要多種軟件,學生同時需要學習幾種新的軟件,給老師和學生都帶來了不便。

                          目前國內部分高校和研宄機構推出了網絡版的數字電路虛擬實驗,但是在進行復雜電路仿真時會出現緩慢甚至錯誤的情況。在單片機實驗方面還缺少成熟的虛擬實驗平臺產品。虛擬實驗研宄室現有的基于網絡的邏輯電路和單片機實驗釆用了將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行指令編譯。

                          為了解決上述問題,本文提出了一種采用Java語言開發的,基于Web的邏輯電路與單片機的虛擬實驗系統設計方法和實現方式。本文對邏輯電路和單片機實驗進行了研宄,提出了數學建模和仿真算法。釆用了 MVC體系結構模式的軟件架構,通過迭代的方式進行軟件開發。建立了適合邏輯電路仿真的狀態表,通過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分成單片機內核組成、單片機指令設計、用戶交互方式、導入hex文件的方式實現,使本系統能獨立完成單片機實驗內容。為了提高仿真速度,本系統釆用多線程并發的方式,借助于Java支持的原生線程池,實現軟件內核的事件處理機制和多線程的交互過程。

                          最后,由兩個典型實驗來驗證本系統仿真的正確性。

                          關鍵詞:邏輯電路 單片機 虛擬實驗 模塊 多線程

                        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課程是各大高等院校電子類和計算機相關專業學生必修的專業基礎課,教育部也強調了課程的性質是“電子技術方面入門性質的技術基礎課” 。開展數字邏輯電路理論學習的同時,進行相關實驗也是必不可少的。由于學校經費有限,往往2個學生或多個學生在一個實驗臺上進行操作,合作完成實驗內容。學生水平參差不齊,有些學生還沒領會到實驗要點,別的學生已經將實驗做完了。因此,通過虛擬實驗系統進行軟件仿真能很好地提高教學質量,幫助學生更牢固地掌握相關知識點。

                          單片機相關課程是高等院校本科、?,高職高專及大中專工業自動化、電子信息、通信工程、機械等專業和計算機專業及其他各類工科類專業都要開展的課程。

                          就目前國內的實驗教學而言,單片機實驗可以分為兩種,一種是用含有單片機的專用試驗箱進行硬件的實驗,另一種是用軟件仿真的方式進行實驗。兩種方式有利有弊,用單片機實驗箱進行硬件實驗最為直觀,但是容易因為學生的不當操作燒毀片子,甚至引發事故。進行軟件仿真能在減少事故發生的同時讓學生得到相應的仿真結果。但是,目前國外軟件價格昂貴,例如Multisim售價高達人民幣2萬多元,Proteus Platinum Edition售價更是將近7千美元,令許多學校望而卻步。而且國外相關軟件并不是專門用于實驗教學的,對教學方式的支持力度有限。因此,設計并完成單片機虛擬實驗可以與國外軟件在教學市場上一較高下。

                          網絡系統與網絡文化北京市重點實驗室已經在虛擬實驗教學方面進行了多年的探索,己經有了豐富的開發經驗,發布了 OWVlab系列的虛擬實驗系統,其中包括開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺、計算機網絡課程虛擬實驗系統、數字信號處理虛擬實驗系統、電路課程虛擬實驗系統、通信原理虛擬實驗系統等。依托于實驗室的基礎,對現有基于單線程的邏輯電路虛擬實驗系統進行改進,并且加入單片機模塊,使得單片機實驗在一個軟件中完成,將能把更多的實驗納入虛擬實驗系統。

                          復雜的操作系統使用環境使得Java技術自1996年第一次發布以來就引起人們的極大興趣。Java可以撰寫跨平臺應用軟件的特點讓軟件的通用性得到提高;贘ava的虛擬實驗系統可以讓用戶從不同的操作系統中運行,對虛擬實驗室建設的依賴性降到最低。

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

                          虛擬實驗室在一些國家已十分普及,他們非常重視虛擬實驗室的研宄,并已將虛擬實驗室列入其科研發展的戰略規劃。許多大學都已組建了面向教育的虛擬實驗室。例如,加泰羅尼亞開放大學是一所完全虛擬的大學,在該大學中無法進行面對面的課堂教學,依然可以利用虛擬實驗技術進行計算機網絡實驗。通過對過去11年的虛擬實驗室教學效果的問卷調查,用于加泰羅尼亞開放大學思科網絡技術學院VNLab結構得到驗證。文獻中主要介紹了計算機網絡虛擬實驗的實現,計算機網絡與數字電路的實驗相似,都需要通過各個節點信息的流動,仿真獲得最后的結果。然而,計算機網絡實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驗結果需要用圖像展示。昆士蘭大學用虛擬實驗技術及HTML5技術建立了藥理學世界,用于藥理學教學。HTML5技術可以將簡單的圖形顯示得很漂亮,但是要在HTML5中進行大數據量的仿真實驗卻是很困難的。因此在選擇虛擬實驗展示時是否采用HTML5技術需要進一步研究。印度信息技術協會也提出了虛擬實驗室的構建方案——DISCOVIR。DISCOVIR是異步虛擬實驗系統,運用了以下多禾中技術: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建立虛擬實驗室的方法需要很大的工作量,開發多門課程時也不能很好的復用先前開發的課程。因此,我們在開發虛擬實驗系統時選擇只用Java語言,增大通用性的同時也為后續實驗的幵發提供方便。Norihiro Fujii教授也提出來在數字電路實驗中運用遠程實驗的方法。在Norihiro Fujii教授的文章中闡述了遠程教育技術開展FPGA實驗的系統設計,提出了 FPGA實驗系統的工作流程,這能夠給我們設計新的電路虛擬實驗系統提供幫助。

                          一些國外知名軟件企業研發的軟件功能強大,元器件覆蓋全面,但是對于學生實驗方面有所缺陷。而且,軟件多是單機版,價格昂貴,部署復雜,教師與學生對于實驗結果的溝通交流無法在軟件內實現。

                          就虛擬實驗的發展來看,隨著我國乃至世界上各個國家加大對虛擬實驗的投入,許多虛擬實驗軟件逐漸完成Web化的過程,在高校實驗平臺的建設中取系單一的單機版仿真軟件,在不久的將來就能實現。

                          邏輯電路與單片機的虛擬實驗系統是在參考國內外許多實驗方案的基礎上進行重新設計與研究的。許多虛擬實驗室方案是基于Multisim、Proteus建設的,這些軟件強大的功能將提供給老師學生優質的產品體驗。然而,通過體驗這搜敎件,我們也可以找到軟件中存在不少問題,這也給教師的授課帶來不便,尤其是很難與國外軟件工程師進行溝通來改進現有軟件,使得教師實驗計劃需要被迫改變。進行自主設計研發虛擬實驗系統可以避免這個問題,使教學質量得到提高。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,并實現在Web上可以順利進行所有預先設計好的實驗。

                        Java語言開發邏輯電路與單片機的虛擬實驗系統設計:

                        Proteus界面圖
                        Proteus界面圖

                         WAVE 6000界面圖
                        WAVE 6000界面圖

                        MVC架構模式功能設計
                        MVC架構模式功能設計

                        迭代與發布版本完整度
                        迭代與發布版本完整度

                        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展趨勢
                            1.3 主要研究內容
                            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 簡單的元件組成
                              4.1.2 時序邏輯部分
                            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 多線程并發
                              4.3.1 事件處理機制
                              4.3.2 多線程的實現
                              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驗案例

                            5.1 端口I/O實驗
                            5.2 跳器實驗
                            5.3 本章小結

                          第六章 總結與展望

                          參考文獻
                          致謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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