有關(guān)Keil軟件仿真的51單片機(jī)串口調(diào)試技巧

引言

在單片機(jī)系統(tǒng)中，串口(UART，通用異步收發(fā)接口)是一個(gè)非常重要的組成部分。通常使用單片機(jī)串口通過RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)連接，以進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)設(shè)置、組成網(wǎng)絡(luò)以及各種外部設(shè)備的連接等。RS232/RS485串行接口總線具有成本低、簡(jiǎn)單可靠、容易使用等特點(diǎn)，加上其歷史悠久，所以目前應(yīng)用仍然非常廣泛;特別對(duì)于數(shù)據(jù)量不是很大的場(chǎng)合，串口通信仍然是很好的選擇，有著廣闊的使用前景。

在單片機(jī)編程中，串口占了很重要的地位。傳統(tǒng)方式串口程序的調(diào)試，往往是利用專用的單片機(jī)硬件仿真器。在編寫好程序后，利用仿真器來設(shè)置斷點(diǎn)，觀察變量和程序的流程，逐步對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，修正錯(cuò)誤。使用硬件仿真器的確是很有效的方法，但是也有一些缺點(diǎn)：

很多仿真器不能做到完全硬件仿真，因而會(huì)造成仿真時(shí)正常，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況;也有仿真不能通過，但是實(shí)際運(yùn)行正常的情況。

對(duì)于一些較新的芯片或者是表面貼裝的芯片，要么沒有合適的仿真器或仿真頭;要么就是硬件仿真器非常昂貴，且不容易買到。

有時(shí)由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的限制，仿真頭不方便接入。

有的仿真器屬于簡(jiǎn)單的在線仿真型，仿真時(shí)有很多限制。例如速度不高，實(shí)時(shí)性或穩(wěn)定性不好，對(duì)斷點(diǎn)有限制等，造成仿真起來不太方便。

1 調(diào)試前的準(zhǔn)備工作

下面介紹一種利用Keil的軟件仿真功能來實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)串口調(diào)試用戶程序的方法。使用這種方法，無需任何硬件仿真器，甚至都不需要用戶電路板。所需的只是：

① 硬件。1臺(tái)普通計(jì)算機(jī)(需要帶有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口)和1根串口線(兩頭都是母頭，連線關(guān)系如圖1所示)。

② 串口軟件可以是自己編寫的專用調(diào)試或上下位機(jī)通信軟件，也可以是通用的串口軟件(如串口助手、串口調(diào)試等)，主要用來收發(fā)數(shù)據(jù)。如果沒有合適的串口調(diào)試軟件，則可使用筆者編寫的一個(gè)免費(fèi)的串口小工具TurboCom。除了與其他軟件一樣的數(shù)據(jù)收發(fā)功能外，它還有定時(shí)輪流發(fā)送自定義數(shù)據(jù)幀和自動(dòng)應(yīng)答(接收到指定數(shù)據(jù)幀后，自動(dòng)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀)這兩個(gè)很有用的功能，特別適合于老化測(cè)試。這個(gè)小工具可以從網(wǎng)上下載。

2 基本調(diào)試命令介紹

這個(gè)串口調(diào)試方法主要是利用了Keil強(qiáng)大的軟件仿真功能。在新版本(高于6.0)的Keil軟件中，增強(qiáng)了軟件的仿真能力，可以利用軟件仿真更多的單片機(jī)功能。在這些功能中，其中有一個(gè)很重要的功能就是利用計(jì)算機(jī)的串口來模擬單片機(jī)的串口(這不同于很多軟件在仿真時(shí)使用的激勵(lì)文件方式，可以直接與其他串口進(jìn)行通信，更加方便、靈活)。首先要介紹仿真時(shí)需要使用的兩個(gè)命令：ASSIGN和MODE。

2.1 ASSIGN命令

將單片機(jī)的串口綁定到計(jì)算機(jī)的串口。基本使用方式為：

ASSIGN channeloutreg

其中： channel代表計(jì)算機(jī)的串口，可以是COM1、COM2、COM3或COM4;而inreg和outreg代表單片機(jī)的串口。對(duì)于只有一個(gè)串口的普通單片機(jī),即SIN和SOUT;對(duì)于有兩個(gè)或者多個(gè)串口的單片機(jī)，即SnIN和SnOUT(n=0，1，…即單片機(jī)的串口號(hào))。

圖1 串口連線示意圖

例如：

ASSIGN COM1SOUT

將計(jì)算機(jī)的串口1綁定到單片機(jī)的串口(針對(duì)只有一個(gè)串口的單片機(jī))。

ASSIGN COM2S0OUT

將計(jì)算機(jī)的串口2綁定到單片機(jī)的串口0(針對(duì)有多個(gè)串口的單片機(jī)，注意串口號(hào)的位置)。

需要注意的是，參數(shù)的括號(hào)是不能省略的，而outreg則是沒有括號(hào)的。

2.2 MODE命令

設(shè)置被綁定計(jì)算機(jī)串口的參數(shù)?；臼褂梅绞綖椋?/p>

MODE COMx baudrate, parity, databits, stopbits

其中： COMx(x = 1，2，…)代表計(jì)算機(jī)的串口號(hào);baudrate代表串口的波特率;parity代表校驗(yàn)方式;databits代表數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度;stopbits代表停止位長(zhǎng)度。

例如：

MODE COM1 9600, n, 8, 1

設(shè)置串口1。波特率為9 600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。

MODE COM2 19200, 1, 8, 1

設(shè)置串口2。波特率為19 200，奇校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。

使用以上兩個(gè)命令，就能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的串口模擬成單片機(jī)的串口了。在進(jìn)行軟件仿真時(shí)，所有發(fā)送到被綁定的計(jì)算機(jī)串口上的數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到Keil模擬的單片機(jī)串口上，用戶程序可以通過中斷處理程序或查詢方式接收到這些數(shù)據(jù);同樣，單片機(jī)程序中發(fā)送到單片機(jī)串口上的數(shù)據(jù)也會(huì)通過被綁定的計(jì)算機(jī)串口發(fā)送出來，可以被其他軟件所接收。利用這個(gè)特點(diǎn)，就可以方便地仿真、調(diào)試單片機(jī)的串口部分程序。要注意的是，這兩個(gè)命令需要一起使用。

2.3 仿真步驟

首先，用串口線將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)串口連接起來(或者是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)串口)。這兩個(gè)串口一個(gè)用來模擬單片機(jī)串口，另一個(gè)給調(diào)試程序使用。這個(gè)由用戶自己分配，沒有特殊要求。

其次，編寫好用戶程序，并編譯通過。

然后，設(shè)置工程文件(Project)的相關(guān)參數(shù)，如圖2和圖3所示。主要是選擇軟件仿真模式(Use Simulator)以及晶振參數(shù)。

圖2 仿真參數(shù)設(shè)置

為了不必每次進(jìn)入仿真狀態(tài)后，都需要輸入串口參數(shù)設(shè)置命令，可以建立一個(gè)初始化文件。初始化文件是一個(gè)普通的文本文件，內(nèi)容就是仿真時(shí)需要的命令，按照順序一行輸入一條。如圖2所示，建立了一個(gè)debug.ini的初始化文件。這樣，當(dāng)每次進(jìn)入仿真調(diào)試狀態(tài)時(shí)，Keil就會(huì)自動(dòng)載入 debug.ini的內(nèi)容進(jìn)行初始化。

為了正確仿真串口，在軟件仿真調(diào)試時(shí)，在用戶的Keil工程文件的屬性中，還需要設(shè)置實(shí)際使用的晶振頻率。這個(gè)參數(shù)非常重要，直接影響通信的波特率，可以按照實(shí)際使用的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。要注意，這個(gè)參數(shù)的單位是MHz。

設(shè)置好參數(shù)后，就可以進(jìn)行仿真了。單擊工具欄的圖標(biāo)按此在新窗口瀏覽圖片進(jìn)入Debug(仿真調(diào)試)狀態(tài)，在Output window窗口中的command文本框(一般是在左下角)中輸入上面介紹的命令。例如，將PC機(jī)的串口1設(shè)置為單片機(jī)的串口：

mode com1 9600,0,8,1

assign com1 Sout

然后設(shè)置斷點(diǎn)，一般是在關(guān)鍵地方或與串口相關(guān)聯(lián)的地方設(shè)置。再單擊圖標(biāo)運(yùn)行(Run)用戶程序，使用戶程序運(yùn)轉(zhuǎn)起來(不然是接收不到串口數(shù)據(jù)的)。這時(shí)再使用串口調(diào)試軟件或用戶調(diào)試軟件，發(fā)送通信命令或者數(shù)據(jù)包，看用戶程序是否進(jìn)入斷點(diǎn)，以及相關(guān)的變量是否正確。還可以有意發(fā)送帶有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，以觀察用戶程序的異常處理部分是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤，可以馬上停止仿真調(diào)試，立即修改代碼，然后再次重復(fù)上面的步驟進(jìn)行仿真。因?yàn)椴恍枰c用戶目標(biāo)板聯(lián)機(jī)，也不用下載代碼到用戶板上，所以速度非常高。以上這些步驟和使用硬件仿真器的基本一樣，只不過現(xiàn)在使用的是軟件仿真。

需要注意的是：仿真時(shí)單片機(jī)串口實(shí)際的波特率由MODE命令來指定，單片機(jī)程序中的TMOD、SCON等參數(shù)是不影響串口仿真狀態(tài)的(也就是說這些參數(shù)不影響仿真的波特率，即使它們是錯(cuò)誤的)。但是中斷的使能位(如ES、EA等)還是起作用的，如果ES或EA被禁止，那么就不會(huì)進(jìn)入串口中斷。

因?yàn)檫@種方法是利用計(jì)算機(jī)的串口來仿真單片機(jī)的串口，而仿真是通過Keil軟件來轉(zhuǎn)換串口上的數(shù)據(jù)，不是直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的,所以在實(shí)際仿真時(shí)，處理速度會(huì)比實(shí)際單片機(jī)運(yùn)行時(shí)稍微低一點(diǎn)。比方說仿真狀態(tài)時(shí)1 s只能發(fā)送/接收10個(gè)數(shù)據(jù)幀，但在單片機(jī)硬件上運(yùn)行時(shí)可能1 s就可以接收/發(fā)送50個(gè)數(shù)據(jù)幀。這與使用的計(jì)算機(jī)的速度有關(guān)，但對(duì)仿真來說，是沒有任何影響的。

對(duì)于多串口的單片機(jī)，從理論上來說，可以一次綁定多個(gè)串口，只要計(jì)算機(jī)有足夠多的串口。基本上，使用這種方法需要占用計(jì)算機(jī)的串口數(shù)量是單片機(jī)綁定串口的2倍。一個(gè)串口被Keil占用，用來模擬單片機(jī)的串口;另外一個(gè)串口被計(jì)算機(jī)占用，用來給單片機(jī)的串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

3 小結(jié)

這里介紹的方法對(duì)C51和匯編語言都是適合的。它最大的好處就是簡(jiǎn)單、方便，容易使用，不需要使用任何電路，也沒有特殊的要求;甚至可以在硬件電路制作好之前就將串口部分的程序編寫、調(diào)試完畢。筆者使用這種方法已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，事實(shí)證明這種方法確實(shí)非常有效。其實(shí)對(duì)于51單片機(jī)，Keil的仿真功能實(shí)在是太強(qiáng)大了，只要充分掌握其特點(diǎn)，能夠熟練利用它，就可以解決工作中的大部分問題。很多工作都可以使用軟件仿真來完成，根本無需任何硬件仿真器;只有一些新的外部器件的時(shí)序、接口的調(diào)試才有可能需要用到硬件仿真器。目前介紹Keil軟件仿真這方面的參考書籍很少，有些講的還是老版本的用法，不過沒有關(guān)系，Keil的幫助文件寫得很詳細(xì)、很清楚，只要認(rèn)真看明白就會(huì)使用了。使用熟練后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)Keil的功能相當(dāng)強(qiáng)。

對(duì)于串口編程，51單片機(jī)有Keil這個(gè)功能強(qiáng)大的開發(fā)軟件，給我們帶來了極大的便利;而在其他單片機(jī)軟件的開發(fā)中，目前還沒有這么強(qiáng)大的開發(fā)工具和方便的調(diào)試手段。這里有個(gè)變通的辦法，就是可以先在Keil中編寫并調(diào)試好串口程序，然后將程序移植到其他單片機(jī)平臺(tái)中(筆者在PIC18單片機(jī)開發(fā)中就使用了這種方法，收到了很好的效果。當(dāng)然這是指在使用C語言開發(fā)單片機(jī)程序時(shí)，匯編語言是沒有可移植性的)。至于如何能夠減小程序移植的工作量，使得程序具有更好的通用性，以最小的代價(jià)就可以平滑地移植到其他單片機(jī)平臺(tái)上，也是一個(gè)非常值得探討的問題。