Sử dụng phần mềm mô phỏng cho vi điều khiển ứng dụng trong giảng dạy

47 SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHO VI ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY Tạ Quang Hùng* * Khoa CNTT, Trường Đại học Hà Nội Tóm tắt: Phần mềm mô phỏng được sử dụng như một công cụ bổ trợ trong một số trường hợp như các khóa học trực tuyến hoặc thay thế cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm thực tế. Trong nhiều trường hợp, sinh viên được yêu cầu kiểm nghiệm thiết kế lý thuyết của họ thông qua mô phỏng trước khi xây dựng và thử nghiệm trên bo mạch vậy lý trong phòng thí nghiệm. Các nghiên cứu cho thấy những sinh viên sử dụng phần mềm mô phỏng trước khi tiến hành thí nghiệm thực tế học tốt hơn so với những sinh viên thực hiện làm trong phòng thí nghiệm mà không tiến hành mô phỏng trước. Ngoài ra, phần mềm mô phỏng còn được sử dụng để mô hình hóa các hệ thống lớn và phức tạp. Chắc chắn là phần mềm mô phỏng không thể thay thế kinh nghiệm thực hành vật lý, nhưng phần mềm mô phỏng có thể nâng cao kinh nghiệm giảng dạy và học tập. Mục tiêu của bài báo này là thảo luận về các gói phần mềm mô phỏng miễn phí dùng cho vi điều khiển 8051, PIC và AVR cũng như tác dụng của nó đối với đào tạo và nghiên cứu. Từ khóa: Hệ thống nhúng, vi điều khiển, 8051, PIC, AVR I. GIỚI THIỆU CHUNG Tự động hóa đang trở thành một phần quan trọng của mọi ngành công nghiệp và các ngành cần một lực lượng lao động được đào tạo để theo kịp xu hướng phát triển này. Sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật và công nghệ phải có một nền tảng toàn diện hơn bao gồm rất nhiều môn học kỹ thuật. Sinh viên tốt nghiệp phải thành thạo sử dụng các thiết bị kỹ thuật, thực hiện được các thí nghiệm, thu thập dữ liệu và trình bày hiệu quả các kết quả. Hơn nữa, những sinh viên tốt nghiệp này phải được đào tạo tốt trong các khóa học và phòng thí nghiệm như điện-điện tử; hệ thống kỹ thuật số và bộ vi xử lý; lập trình máy tính; thiết kế bằng máy tính; tổ chức và kiến trúc máy tính; truyền thông điện tử và dữ liệu; kết nối mạng; điều khiển và robot; máy điện và hệ thống điện; PLC và thiết bị đo ảo; vi xử lý và vi điều khiển Xét ở góc độ chi phí, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng chính là giải quyết được tất cả những tiêu chí này. Các phần mềm loại này đóng một vai trò quan trọng trong giáo dục và được sử dụng để đào tạo cho đủ loại công việc, từ điều khiển thiết bị tinh vi cho đến vận hành các nhà máy điện hạt nhân hay các cơ sở xử lý hóa chất phức tạp. Các phần mềm có bản quyền như Matlab, Simulink, và Labview được sử dụng rộng rãi trong các chương trình kỹ thuật và công nghệ tại các trường đại học. Tuy nhiên, những phần mềm như EDsim51[1] và PICsimlab[2] không được biết đến nhiều và có thể không được sử dụng rộng rãi nhưng cả hai phần mềm này đều có tiềm năng to lớn trong việc tăng cường khả năng học tập của sinh viên khi học về vi điều khiển. Hơn nữa, những phần mềm này lại hoàn toàn miễn phí nên sinh viên và giảng viên có thể 48 tiếp cận dễ dàng. Các phần tiếp theo sẽ thảo luận về một số tính năng ưu việt của những phần mềm trên thông qua một số ứng dụng được phát triển trên công cụ chuyên nghiệp như Keil-Vision 5[3], MPLAB X-IDE[4], và XC8 Compiler[5]. II. PHẦN MỀM EDSIM51 A. Đặc điểm chính của EDsim51 Phần mềm mô phỏng EDsim51 mô phỏng vi điều khiển nổi tiếng 8051. Trong EDsim51, 8051 được giả lập giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, màn hình LCD (Hitachi HD44780), khối truyền tin nối tiếp UART, Sinh viên có thể viết mã Assembly cho 8051 trực tiếp trên EDsim51, debug và quan sát kết quả trên bộ nhớ trong và các thiết bị ngoại vi sau mỗi dòng lệnh. Sau đây là danh sách các thiết bị ngoại giả lập trong phần mềm EDsim51: mô-đun chuyển đổi tương tự số (ADC), mô-đun chuyển đổi số tương tự (DAC) – kèm theo Oscilloscope, bộ so sánh, UART, 04 đèn LED 7 thanh, 01 bàn phím 4 x 3, 08 đèn LED đơn, 01 mô tơ một chiều, và 08 nút bấm. Hình 1 mô tả chương trình quét giá trị cổng phím bấm và hiển thị trên LED 7 thanh của EDsim51. Mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ Assembly và được biên dịch trực tiếp trên EDsim51. Figure 1. Giao diện lập trình ngôn ngữ Assembly và kết quả trên EDsim51 B. Kết hợp với công cụ phát triển Keil – uVision 5 Ngoài tính năng hỗ trợ biên dịch cho ngôn ngữ Assembly, EDsim51 cũng hỗ trợ nạp trực tiếp firmware được biên dịch từ các chương trình biên dịch khác như Keil- Vision 5. Do vậy, giảng viên và sinh viên có thể sử dụng công cụ lập trình cho ngôn 49 ngữ C để phát triển ứng dụng rồi nạp firmware vào EDsim51 như dùng một KIT phát triển chuyên nghiệp. Figure 2. Giao diện lập trình trên Keil và kết quả trên EDsim51 III. PHẦN MỀM PICSIMLAB A. Đặc điểm chính của phần mềm PICsimlab Phần mềm PICsimlab giả lập nhiều KIT phát triển thực như McLab1, KF16, McLab2, PICgenios, và cả Arduino UNO R3. Ngoài ra, mỗi một bộ KIT lại hỗ trợ nhiều loại MCU khác nhau nên khả năng ứng dụng của phần mềm này rất mạnh. Trong khóa học về hệ thống nhúng, tôi đã sử dụng phần mềm này với phần mô phỏng cho mạch McLab2, trong đó có cả LCD, LED, LED 7 thanh, phím bấm, điều khiển rơ le, khối UART; giao tiếp I2C, SPI, và cả cổng nạp ICSP. Figure 3. Phần mềm PICsimlab (mô phỏng mạch McLab2, chip PIC16F877A) Hình 3 mô tả giao diện của PICsimlab với mạch McLab2 với MCU là PIC16F877A. Các tính năng mô phỏng trên PICsimlab rất chân thực và thậm chí còn hỗ trợ cả debug từ phần mềm MPLAB X-IDE. Đây là một tính năng chỉ thực hiện được với các bộ nạp cao cấp trên các KIT thực tế. Ngoài ra, các thiết bị ngoại vi được mô phỏng trên PICsimlab khá đa dạng gồm cả thiết bị đo, cảm biến nhiệt, mô phỏng modem wifi ESP8266 hay mô phỏng điều khiển game qua cổng nối tiếp. B. Ứng dụng với công cụ phát triển MPLAB X-IDE Sử dụng PICsimlab chỉ có thể nạp firmware giống như làm việc với mạch thật. 50 Figure 4. Giao diện lập trình trên MPLAB X-IDE và kết quả trên PICsimlab Hình 4 mô tả giao diện lập trình trên MPLAB X-IDE cho dòng vi điều khiển PIC. Do MPLAB X-IDE là công cụ chuyên nghiệp miễn phí, nên giảng viên và sinh viên đều có thể sử dụng được. Hạn chế duy nhất với việc phát triển dự án trên MPLABX-IDE là bộ biên dịch XC8 chỉ miễn phí khi không có tối ưu về mã lệnh nhưng việc này không phải là vấn đề vì đa số giảng viên và sinh viên đều phát triển những ứng dụng nhỏ. Giảng viên và sinh viên cũng có thể xây dựng các bài thí nghiệm hoặc dự án với Arduino nhờ mô-đun mô phỏng Arduino UNO R3 trên PICsimlab. IV. KẾT LUẬN Bài báo này đã trình bày nhưng phần mềm mô phỏng vi điều khiển hoàn toàn miễn phí có thể ứng dụng trong đào tạo lập trình vi điều khiển cho sinh viên ngành công nghệ thông tin, điện tử viễn thông, hoặc điều khiển tự động. Các phần mềm này giả lập những mạch có thật nên có đầy đủ các thiết bị ngoại vi cần thiết phục vụ quá trình phát triển. Khóa học với những phần mềm này mang lại hiệu quả rất tích cực vì sinh viên có thể kiểm tra được kết quả trên phần mềm mô phỏng, sau đó mới áp dụng cho các bộ KIT phát triển hoặc tự thiết kế và làm mạch ứng dụng. Nếu có thể kết hợp sử dụng các phần mềm mô phỏng này cùng với những bộ KIT thực trong quá trình dạy môn hệ thống nhúng, môn vi điều khiển, hoặc môn kỹ thuật điều khiển, thì sẽ thu được hiệu quả đào tạo rất tốt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. Rogers, “EDsim51 – 8051 Simulator,” 2016. 
 [2] L. C. G. Lopes, “PICsimlab – PIC Simulator Laboratory,” Sept. 2018, V. 0.75 51 [3] Arm Limited, “Keil Vision 5 – 8051 Microcontroller Development Tool”, Feb. 2020, V. 5.27. [4] Microchip, “MPLAB X Integrated Development Environment (IDE),” Feb. 2020, V. 5.35. [5] Microchip, “XC8 Compiler,” Aug. 2019, V.2.10.