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MCGS组态软件在单片机应用技术课程中的应用与研究

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施志荣

[摘要]课题组针对高职院校单片机应用技术课程在实践教学方式、实训设备维护等方面存在的问题，提出了将MCGS组态软件与单片机最小系统板相结合的教学模式。教学实践表明，将MCGS组态软件引入单片机应用技术课程的教学节约了实训设备的硬件成本，提高了实训课程的教学效果。

[关键词]单片机应用技术;MCGS组态软件;Modbus-RTU协议;实践教学

[中图分类号] G642。3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）01-0083-03

单片机应用技术是高职院校电气自动化技术专业的一门重要的职业核心课程，是学生掌握智能仪器设计理论和技术的基础，具有很强的实践性[1]。对于职业院校相关专业的学生而言，掌握好单片机应用技术这门课程是非常必要的，不仅能把所学的专业基础课理论知识运用到实践中，而且对今后的就业也是非常有帮助的。鉴于单片机应用技术的重要性和实践性，其实训教学环节就更是重中之重了。

一、单片机应用技术实践教学的现状

早期的单片机应用技术的实践教学通常依靠单片机实训箱完成。其实践教学内容主要包含两个方面：课内实训和课程设计。在传统的实训教学中，教师根据实训指导书的要求在规定的时间内指导学生完成相应的实训项目。任课教师向学生讲解实训目标和实训任务，学生根据实训要求搭建实训电路、编写程序、调试运行并验证实训结果[2]。在此过程中，由于实训教学活动主要依靠硬件设备完成，导致实训教学环节不可避免地存在着一些问题。首先，实训任务的主要硬件电路已经在实训箱内部焊接完成，学生无法针对实训内容和要求灵活地进行硬件设计。其次，实训箱生产厂家提供的硬件资料往往不完全透明，当实训过程出现偏差时，学生经常无法独立查找出故障原因。再次，实训箱的硬件电路固定，能完成的实训内容也相对有限，实训的灵活性不够。最后，实训箱的成本高，器件易损坏，实训设备难以维护。

针对上述问题，近年来部分高职院校将Proteus+Keil仿真的教学方式引入单片机类课程的实践教学中，提高了学生的积极性和主动性，培养了学生对单片机系统设计的能力，降低了实训设备的硬件成本。但是，由于这种教学模式主要是以软件仿真平台为主，无法完全真实地让学生学习单片机的硬件知识，导致许多学生上完这门课程后只会软件仿真，一旦进行真正的单片机系统调试，却往往束手无策。

二、基于MCGS组态软件的单片机应用技术课程创新教学改革

20世纪80年代开始，国外的高校逐渐应用虚拟实训技术进行实训教学并进行推广 [3]。国内高校开展虚拟教学实训起步较晚，高丽萍等在组态软件MCGS的基础上研究提出了虚拟PLC系统的方案[4]。课题组将MCGS组态软件应用于单片机应用技术课程的实训教学并建立相应的系统监控平台，降低了硬件成本，减轻了实训室管理人员的工作量，提高了单片机应用技术课程的教学效果。

（一）组态软件控制技术

组态（Configuration）即“配置”“设定”“设置”。随着集散型控制系统的出现，组态软件慢慢地被廣大的电气自动化技术人员所认识和接受。组态软件控制技术是一种先进的计算机控制技术，用户可以通过类似“搭积木”的方式来开发自己所需要的应用程序，而不需要编写复杂的计算机程序。

MCGS即“监视与控制通用系统”，英文全称为：Monitor and Control Generated System，是一套国产的用于快速构造和生成上位机监控系统的软件工具，具有组态方式灵活、易学易用等优点，在国内自动化领域应用广泛[5]。将MCGS应用在单片机应用技术教学中，可以用最小的硬件成本直观生动地将单片机实训课程的具体操作过程以电脑动画的形式展现出来，大大提高了单片机实训课程的趣味性和灵活性。

（二）Modbus-RTU协议

Modbus协议是法国莫迪康公司开发的一种基于主/从架构的总线协议，允许一台主机和多台从机之间进行数据传输[6]。物理层可以通过RS-232、RS-485或光纤等多种传输方式进行数据传输，传输速率可以达到 115kbps，传输距离最远可以达到1200m。基于Modbus协议的控制系统理论上可以接一台主站和247 台从站，但在实际应用中，最多可以接入一台主站和32台从站。

目前，Modbus协议已经发展成为一种通用的工业标准并应用于各种PLC、控制器及智能仪表，其主要有RTU和ASCII两种通信模式[7]。与ASCII模式相比，采用RTU模式传输数据的效率比较高，因此，本系统采用RTU模式，其传输特性如表1所示。

Modbus协议采用主/从架构的方式进行数据通信，即主机发送相应请求命令给从机，符合相应地址码的从机接收命令。如果信息正确，从机根据功能码执行相应的指令，然后把运行结果返回给主机;如果信息出错，从机则不返回任何信息。

Modbus协议数据帧的格式基本相同，主要由地址码、功能码、数据区和错误校验码组成。每帧数据之间至少需要3.5字符以上的时间间隔[8]。Modbus-RTU传输模式的数据帧格式一般如表2所示。

三、硬件设计

根据单片机应用技术课程实训的教学要求，制作了基于STC89C52RC芯片为核心的单片机最小系统板作为实训教学的主要设备，最大程度地节约了硬件成本，减少了实训设备维护的工作量，并取得了较好的教学效果。

单片机最小系统板以STC89C52RC芯片为核心，包含电源、复位电路、外部晶振以及串行接口等基本电路。系统采用5v电源供电;11.0592MHz的晶振与30PF的旁路电容并联接入XTAL1、XTAL2引脚，构成 CPU 时钟振荡电路;P3.0、P3.1引脚主要用来实现程序下载和RS-232串口通信。单片机最小系统板上还留有相应插槽，便于学生自主地进行硬件扩展。

四、软件设计

（一）单片机的通信程序设计

51单片机在完成初始化后，实现Modbus-RTU协议的报文接受、解析、校验、封帧及发送等功能。系统软件流程如图1所示。

单片机从站支持的Modbus-RTU功能码如表3所示。

（二）上位机的软件设计与组态

1.实训项目分析

分析实训项目的系统构成、实训要求和控制流程，明确监控要求和动画显示方式;分析实训项目中所采集信号的数据类型，明确实时数据库中相应数据对象的类型;分析上位机程序的变量构成，明确所创建的变量在上位机程序运行中的作用，分清哪些变量与外部信号相连接，哪些变量在程序内部传递数据。

2.建立实时数据库

实时数据库是上位机系统的数据处理中心，担任着上位机和单片机中相应的存储单元进行实时数据交互的任务。系统运行时，上位机通过实时数据库将用户的指令快速发送给单片机;下位机通过实时数据库将单片机寄存器的状态以动画的显示反映在监控界面上。因此，实时数据库是MCGS组态软件最核心的部分。

实时数据库的基本组成单元是数据对象，定义数据对象的过程就是建立实时数据库的过程。定义数据对象的工作主要包括定义数据对象的名称、类型、初始值和数值范围等。本实训工程定义了2个数值型数据对象与外界模拟量进行交互，8个开关型数据对象与单片机的数字量进行交互。系统主要的数据对象如表4所示，实训教师可以根据实际需要增加。

表4 主要数据对象一览表

[数据对象名称类型 salver01_AI01 数值型 salver01_AO01 数值型 salver01_DI01 开关型 salver01_DI02 开关型 salver01_DI03 开关型 salver01_DI04 开关型 salver01_DO01 开关型 salver01_DO02 开关型 salver01_DO03 开关型 salver01_DO04 开关型 ]

3.建立窗口、制作动画显示

MCGS以窗口为单位构造系统运行的图形界面。实训教师可以根据实训项目的需求组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，并且定义出窗口的具体属性。整个动画制作过程主要分为两个步骤：静态图形设计和动态属性设置。静态图形设计类似于“画画”，MCGS提供了丰富的动画构件，能够方便模拟单片机实训项目中常用的物理器件的动作和功能，实训教师可以通过工具箱中的基本图形元素及动画构件在用户窗口内组态生成各种复杂的画面;动态属性设置则需要將图形的动画属性与实时数据库中的数据对象建立连接关系，使相关的数据对象成为动画图形的驱动源。

4.连接设备驱动

MCGS组态软件支持各种常用的外部设备，基本实现了“设备无关”，针对各种外部设备的不同特征，设立了设备工具箱，定义了多种设备构件，不同的构件对应不同的硬件设备。当用户对某一构件进行操作或改动时，均不影响其他构件和整个系统的结构。根据所使用的外部硬件设备，在工具箱中选择相应的设备构件，设置相关的构件属性，用户就能方便地建立组态软件与外部硬件设备的连接关系，使上位机能够监控外部设备的工作状态，实现组态软件对外部设备的驱动和控制。本单片机实训系统的上位机监控程序的通信设置如图2所示。

五、MCGS组态软件在单片机应用技术课程教学上的优势

在单片机实训教学中引入MCGS组态软件存在着诸多优势。用户在计算机上稍微调整一下组态界面、数据连接和单片机程序就可以实现实训内容的改变。因此，利用一套成本不高的51系列的单片机最小系统板就可以完成多种实训项目，很大程度上提高了实训教学的灵活性。在单片机应用技术的实训教学中应用MCGS组态软件，将使实践教学变得容易实现。教师可以很方便地把实际生产过程中的操作贴近学生的实训项目，从而提高学生的学习积极性和教师的实训教学质量。同时，学校可以在不增加实训室和实训设备的情况下，轻松地利用现有的设备实现多样化、低成本的实训教学，丰富实训教学内容。除此之外，基于MCGS组态软件的实训项目开发时间短，易于维护，可以同时开发多个监控实训项目，达到全方位教学目的。在实训项目中，MCGS组态软件与单片机最小系统板的结合具有良好的应用价值，不仅节约了实训成本，丰富了实训教学内容，同时很好地避免了学生只会软件仿真的弊端。

高职院校的电气自动化技术专业主要是培养具有良好职业道德和可持续发展能力，掌握自动控制理论、电气设备运行规律、电力系统基本原理等专业理论知识，具备电气自动化产品装配、调试、检测、技术管理、维护与维修等专业技能的职业技术型人才，其专业核心课程的实践性和操作性很强，只有经过多次实训才能真正了解和掌握这些课程。但是，部分高职院校的实训配套资金缺乏，实训设备易损坏，学生难以继续进行更多的实训练习，并且这一现状在短时间内很难得以改变。因此，这种“先天不足”的矛盾只能依靠各个学校自行解决[9]。将MCGS组态软件运用到单片机实训教学是一种有效的解决手段，很好地解决了硬件设备不易维护和资金短缺的问题，提高了学生对知识的掌握，改善了单片机实训课程的教学效果。

六、总结

课题组将MCGS组态软件运用到单片机课程的实训教学中，并介绍了MCGS组态软件与STC89C52单片机的通信过程。本实训系统具有良好的开放性和扩展性，教师可以根据实际需要快速方便地开发出DS18B20数字温度计、流水灯、交通指示灯等多种单片机实训项目的监控程序。在实训中，借助MCGS组态软件对单片机系统进行监测与控制，加深了学生对课堂知识点的理解，提高了实训课程的教学效果，避免了Proteus+Keil模式下学生只会仿真的弊端，为改进单片机应用技术的实训教学开辟出了一条新道路。

[ 参考文献 ]

[1] 杨为民.改革单片机课程教学提升学生的创新能力[J].大学教育，2017（4）：42-43.

[2] 李斌.Proteus仿真在高职单片机课程教学中的应用[J].辽宁高职学报，2017（1）：55-57.

[3] 岳大灵，魏列江，刘增光.液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统的设计[J].大学教育，2016（9）：137-139.

[4] 高丽萍，郑萍.基于MCGS的PLC虚拟控制系统研究[J].西华大学学报（自然科学版），2006（1）：94-96.

[5] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS使用手册[M].北京：昆仑通态公司，2005.

[6] 李慧静，刘慧文，李栋敬.基于Modbus-RTU协议的串口通信软件实现[J].内蒙古科技大学学报，2017（1）：55-57.

[7] 孟祥剑，黎向阳.基于Modbus-RTU协议的人机界面和单片机串行通信[J].重庆理工大学学报，2014（9）：87-91.

[8] 张彦军，杨闯.嵌入式与MCGS的Modbus通信方法[J].甘肃科学学报，2017（1）：34-37.

[9] 王洪华.组态软件在PLC控制应用技术课程教学中的应用[J] .中国现代教育装备，2013（13）：71-72.

[责任编辑：钟岚]

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