基于STC8單片機(jī)兼容傳統(tǒng)51開發(fā)板設(shè)計(jì)及雙語言編程的教學(xué)探究*

*課題項(xiàng)目：2020年度西南科技大學(xué)城市學(xué)院校級(jí)教學(xué)質(zhì)量與改革項(xiàng)目課題2020XJXM03單片機(jī)原理及應(yīng)用線上課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目研究實(shí)施。

2021年度西南科技大學(xué)城市學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目課題CC-JJ2120現(xiàn)代學(xué)徒制創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程項(xiàng)目在高校職業(yè)教育教學(xué)的實(shí)施研究項(xiàng)目研究實(shí)施。

作者簡介：劉光乾（1975-），男，四川廣元，工程師，講師，研究方向?yàn)橹悄茈娮釉O(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

0   引言

單片機(jī)教學(xué)在很多高職院校的很多專業(yè)都有涉及，不同層次專業(yè)水平的學(xué)生，在學(xué)習(xí)單片機(jī)與實(shí)踐開發(fā)應(yīng)用中難以過渡，特別是單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程基礎(chǔ)較差時(shí)更是難以入門。本文基于眾多單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用研究及學(xué)徒制教學(xué)改革與探索，從單片機(jī)應(yīng)用與教學(xué)現(xiàn)狀分析、STC8H8K64U 單片機(jī)簡介、STC8H8K64U 兼容STC89C52 開發(fā)板的核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖形化編程與仿真等五個(gè)方面進(jìn)行講述，供單片機(jī)教學(xué)教改及單片機(jī)愛好者學(xué)習(xí)研究之用。

1   單片機(jī)應(yīng)用與教學(xué)模式及現(xiàn)狀簡介

單片機(jī)作為智能電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)及嵌入式基礎(chǔ)，業(yè)內(nèi)項(xiàng)目式入門資料包括：郭天祥老師的“新概念51單片機(jī)”，及相關(guān)的單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)與分享^[1]；以51 單片機(jī)課程為例的創(chuàng)客式項(xiàng)目教學(xué)在編程類課程中的應(yīng)用研究^[2]；邵華^[3]老師以項(xiàng)目為導(dǎo)向的課程創(chuàng)新機(jī)制，在《單片機(jī)編程與實(shí)訓(xùn)》課程中的實(shí)踐和對(duì)比效果顯著；陳育群^[4] 老師在面向單片機(jī)初學(xué)者的編程方法探究中采用基于編程字典的方法能使單片機(jī)初學(xué)者快速掌握單片機(jī)的編程。

單片機(jī)的編程模式也是日新月異，如基于傳統(tǒng)51單片機(jī)C 語言編程技巧探討^[5]，介紹了編程特點(diǎn)與技巧及模塊化編程設(shè)計(jì)；張華林^[6] 老師在單片機(jī)編程模塊化設(shè)計(jì)研究中詳細(xì)講述了模塊化編程方法；黎民山^[7] 老師的基于流程圖編程的單片機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)，將程序代碼與直觀圖形相結(jié)合，以圖形化的編程改變對(duì)程序語法及句法的要求；黃睿^[8] 老師在雙編程語言在單片機(jī)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)中的運(yùn)用，分別運(yùn)用匯編語言和C 語言實(shí)現(xiàn)功能，實(shí)現(xiàn)選擇與融合的對(duì)比教學(xué)；基于互聯(lián)網(wǎng)+ 技術(shù)的大病術(shù)后吹氣練習(xí)儀的圖形化單片機(jī)編程項(xiàng)目設(shè)計(jì)^[9]，以及基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目的山地羊肚菌物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)^[10]，也從項(xiàng)目設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐等方面進(jìn)行了單片機(jī)應(yīng)用的探究，可見單片機(jī)應(yīng)用與教學(xué)資源已經(jīng)琳瑯滿目了。

2   STC8H8K64U單片機(jī)簡介

宏晶科技的《STC8H 系列單片機(jī)技術(shù)參考手冊》顯示，STC8H 系列單片機(jī)是可以不需要外部晶振和外部復(fù)位的單片機(jī)，是以超強(qiáng)抗干擾、超低價(jià)、高速、低功耗為目標(biāo)8051 單片機(jī)，在相同的工作頻率下，STC8H系列單片機(jī)比傳統(tǒng)8051 約快12 倍。依次按順序執(zhí)行完全部的111 條指令，STC8H 系列單片機(jī)僅需147 個(gè)時(shí)鐘，而傳統(tǒng)8051 則需要1 944 個(gè)時(shí)鐘。STC8H 系列單片機(jī)是STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘/ 機(jī)器周期(1T) 的單片機(jī)，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗、強(qiáng)抗靜電、較強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，超級(jí)加密，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。

3   STC8H8K64U兼容STC89C52開發(fā)板的核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 STC8H8K64U兼容STC89C52開發(fā)板設(shè)計(jì)的意義

根據(jù)STC8H8K64U 和STC89C52 的功能特性和引腳定義，讓STC8H8K64U 核心板兼容傳統(tǒng)STC89C52的40P 開發(fā)板，是既兼容以前大量基于STC89C52 教學(xué)開發(fā)板資源，又保留STC8H8K64U 的64 引腳全功能，使擴(kuò)展開發(fā)資源利用最大化，在教學(xué)和應(yīng)用上都具有很好的意義。

3.2 STC8H8K64U兼容STC89C52開發(fā)板設(shè)計(jì)的引腳對(duì)應(yīng)

按照STC8H8K64U 和STC89C52 的功能特性和引腳定義及保留STC8H8K64U 的64 引腳全功能的原則，進(jìn)行引腳及功能對(duì)應(yīng)，如表1。

3.3 STC8H8K64U兼容STC89C52核心板設(shè)計(jì)原理圖（如圖1）

3.4 STC8H8K64U兼容STC89C52核心板設(shè)計(jì)說明

按照STC8H8K64U 兼容STC89C52 傳統(tǒng)40P 底座開發(fā)板及保留STC8H8K64U 的64 引腳全功能的原則，排列相關(guān)器件及引腳，如圖2 所示。

4   STC8H8K64U核心板圖形化編程與仿真

4.1 STC8H8K64U核心板圖形化編程軟件

目前，軟硬件都比較經(jīng)典的“天問51”系列開發(fā)板和圖形化編程軟件同時(shí)具備在線編程和脫機(jī)編程兩種編程環(huán)境。脫機(jī)編程可以直接進(jìn)行圖形編程，同時(shí)生成基于SDCC 的字符C 文件，也可以直接在字符編程窗口進(jìn)行字符編程；編程結(jié)果可以通過“天問”下載器直接連接開發(fā)板進(jìn)行在線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)物仿真效果，也可以直接編譯生成main.c 文件。在線編程環(huán)境還可以直接導(dǎo)出Keil C 的工程文件，非常方便。“天問”圖形化編程軟件可以在其官方網(wǎng)站下載，目前是Block0.1.6 版本，安裝即可。

4.2 STC8H8K64U核心板圖形化編程方法

在“天問”網(wǎng)站及論壇有很多關(guān)于該圖形化編程的教程和參考資料，在打開天問Block 軟件后，其界面內(nèi)包含了相應(yīng)的操作功能區(qū)及菜單按鈕，如圖3 所示。點(diǎn)擊左上角的文件夾圖標(biāo)菜單按鈕，出現(xiàn)“新建項(xiàng)目”、“打開項(xiàng)目”、“保存”、“項(xiàng)目另存”、“項(xiàng)目中心”、“提交作業(yè)”的菜單頁面，可進(jìn)行新建、打開項(xiàng)目及保存等相關(guān)操作。

左邊各功能模塊及邏輯控制圖形化指令包括單片機(jī)內(nèi)部模塊，如：系統(tǒng)配置、GPIO 模塊、PWM 模塊、ADC 模塊、定時(shí)器模塊、串口模塊、外部中斷設(shè)置、所有中斷設(shè)置、讀寫寄存器。邏輯與控制模塊包括：控制、數(shù)學(xué)與邏輯、文本與數(shù)組、變量、函數(shù)。文本模塊包括：顯示器模塊（LED 流水燈、HC595 串入并出位移緩存器、數(shù)碼管、點(diǎn)陣LED、RGB 流水燈、OLED 屏幕、LCD1602 屏幕、LCD12864、TFT 彩屏、彩屏觸摸）、傳感器模塊、紅外、I2C、SPI、擴(kuò)展等模塊。豐富的功能模塊及庫函數(shù)給項(xiàng)目開發(fā)學(xué)習(xí)應(yīng)用帶來很多便利，對(duì)初學(xué)者入門，推進(jìn)教學(xué)應(yīng)用更為有利。

圖形編程和字符編程分別位于界面主功能區(qū)左右兩個(gè)主窗口，以滿足編程窗口的最大化，兩個(gè)窗口大小可以用其交界面下部的三角按鈕拖動(dòng)改變相應(yīng)窗口大小，以滿足圖形化編程或字符編程課程的需要。

未連接菜單表示沒有連接相應(yīng)的開發(fā)板，如果將開發(fā)板用對(duì)應(yīng)的編程下載器連接到電腦USB 口，則會(huì)顯示已連接設(shè)備，通過編程可進(jìn)行串口監(jiān)視器的應(yīng)用、運(yùn)行程序進(jìn)行在線硬件仿真或編譯生成main.c 文件供，KeilC 環(huán)境使用。其中運(yùn)行程序進(jìn)行在線硬件仿真突破了傳統(tǒng)Keil C 軟件仿真或通過STC-ISP 仿真的方式，更加直接地進(jìn)行隨時(shí)編程隨時(shí)運(yùn)行并查看結(jié)果，非常方便。軟件右上角的“更多”菜單，提供了編程手冊、芯片手冊、視頻學(xué)習(xí)、開發(fā)者論壇、購買、安裝驅(qū)動(dòng)等功能模塊，讓學(xué)習(xí)編程更加方便，其中編程手冊提供了初學(xué)者使用軟件的基本方法介紹，視頻學(xué)習(xí)通過各功能程序的編程使用操作視頻，更加直觀形象地展示該軟件的使用方法。

4.3 STC8H8K64U核心板圖形化編程技巧

雖然該軟件已經(jīng)把單片機(jī)編程變得很簡單形象，但是對(duì)于初學(xué)者可能還是感覺無從下手， 這里作個(gè)引導(dǎo)和說明。

1）“天問”圖形化編程基于模塊化設(shè)計(jì)，相應(yīng)的功能模塊已經(jīng)形成功能函數(shù)進(jìn)行封裝，編程者只需要根據(jù)功能需求進(jìn)行調(diào)用， 如圖4所示。

整個(gè)程序遵循一個(gè)主程序入口：

void main(void)

{

setup();

while(1){

loop();

}

}

在主程序中執(zhí)行初始化和反復(fù)執(zhí)行等功能子程序：

void setup()

{

twen_board_init();// 天問51 初始化

}

void loop()

{

}

而STC8 的頭文件及系統(tǒng)時(shí)鐘初始化也在系統(tǒng)框架首部默認(rèn)給出：

#include <STC8HX.h>uint32 sys_clk = 24000000;// 設(shè)置PWM、定時(shí)器、串口、EEPROM 頻率參數(shù)

#include “l(fā)ib/twen_board.h”

2）由“天問”Block 圖形化編程框架可以看出，所有的初始化包括端口定義、變量和函數(shù)定義、定時(shí)器和中斷等初始化都在“初始化”框架模塊里面進(jìn)行，而主要功能程序全部放在“重復(fù)執(zhí)行”框架模塊中。需要注意的是，初始化工作很重要，很多功能模塊操作前，要先看一下里面有沒有對(duì)應(yīng)的初始化積木指令，如果有一定要放在初始化框架中進(jìn)行初始化。在“重復(fù)執(zhí)行”框架里面放置功能程序，顯然將全部功能程序直接放置在此框架里面是不明智的，不僅可讀性差，也不方便調(diào)試和移植，最好是將各功能程序分解成子程序，再在“重復(fù)執(zhí)行”框架中調(diào)用，根據(jù)程序功能的復(fù)雜程度，可以執(zhí)行多級(jí)子程序（函數(shù)）模塊。

3）雖然功能程序要在“重復(fù)執(zhí)行”框架中才能被執(zhí)行，但是在此框架中執(zhí)行的程序都是按照先后順序依次執(zhí)行，很多時(shí)候有些功能程序是有規(guī)律地重復(fù)執(zhí)行，可采用定時(shí)器模式進(jìn)行，這樣在定時(shí)器中既能按照設(shè)計(jì)的時(shí)間定時(shí)執(zhí)行功能，同時(shí)也不會(huì)占用“重復(fù)執(zhí)行”框架的資源。

4）對(duì)于圖形化編程，很多初學(xué)者要么難以掌握編程流程和思路，要么不知道該怎么調(diào)用合適的指令，或是程序邏輯銜接不合理，導(dǎo)致運(yùn)行失敗或死機(jī)。采用流程圖和模塊化編程的思路，先將要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行流程化梳理，再將功能程序進(jìn)行資源分配，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)應(yīng)于單片機(jī)硬件接口和相關(guān)電路元件。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心板也是為了兼容傳統(tǒng)STC89C52 開發(fā)板，可以直接將其插在對(duì)應(yīng)的40P 底座上，利用現(xiàn)有開發(fā)板硬件資源如LED 燈、按鍵、數(shù)碼管或一些傳感器和繼電器燈，也可以根據(jù)需要單獨(dú)用杜邦線將組件按照組件使用手冊與核心板連接。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）