仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

石 瑛

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245041）

仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

石 瑛

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245041）

通過研究傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的弊端,結(jié)合教學(xué)的實際條件，把PROTEUS應(yīng)用到單片機(jī)課堂教學(xué)中，它真正實現(xiàn)了在計算機(jī)上完成從原理圖與電路設(shè)計、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整的設(shè)計與仿真過程。實際應(yīng)用表明,不但解決了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)問題，而且提高了單片機(jī)設(shè)計過程的效率。

仿真；單片機(jī)；PROTEUS；匯編編譯；調(diào)試

1 引言

由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多領(lǐng)域都出現(xiàn)了仿真系統(tǒng)，明顯促進(jìn)了各領(lǐng)域科技事業(yè)的發(fā)展。仿真技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展是科技發(fā)展的必然結(jié)果，是現(xiàn)代科技的關(guān)鍵技術(shù)之一，并逐漸成為科技人員的必備技術(shù)。[1]PROTEUS是英國Iabcenter公司研發(fā)的多功能電子輔助仿真設(shè)計軟件。[2]PROTEUS是模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺,也更是單片機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)的設(shè)計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)了在計算機(jī)上完成從原理圖與電路設(shè)計、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整的設(shè)計與仿真過程。[3]

PROTEUS能設(shè)計并仿真由ARM7、805x、PIC、AVR、HCll等系列單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，有數(shù)千種元器件仿真模型，有示波器、邏輯分析儀等10多種虛擬儀器，有各種信號激勵源，有ASF高級圖表仿真。PROTEUS還提供了編輯源程序、生成目標(biāo)代碼、調(diào)試和與第三方集成開發(fā)環(huán)境聯(lián)合仿真的環(huán)境。PROTEUS為單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用研發(fā)提供了一個完整的虛擬實驗室。[4]由于PROTEUS仿真模型是根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)文件來建立的，所以仿真極接近實際，這使它超越了“虛擬”成為具有現(xiàn)實意義的教學(xué)、研發(fā)平臺。

單片機(jī)教學(xué)和實驗中很多重點、難點也無法用演示實驗解釋清楚。學(xué)生用單片機(jī)實驗箱做實驗，因?qū)嶒炏浞忾]性、顯示信號不佳等缺點致使效果不佳。學(xué)生感到難做、難懂，而這些問題都可以用PROTEUS解決。單片機(jī)教學(xué)的主要目的是讓學(xué)生掌握單片機(jī)硬件、軟件開發(fā)的技能，初步具備一般應(yīng)用課題設(shè)計開發(fā)的能力。但是由于教學(xué)資源有限，使單片機(jī)理論教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力的差距很大，甚至有些學(xué)生學(xué)完了一學(xué)期的理論課，遇到一個簡單的設(shè)計課題就感到無從下手。究其原因，主要是由于課堂教學(xué)和實踐相脫節(jié)，教師沒有通過課堂教學(xué)為學(xué)生提供一個設(shè)計開發(fā)的應(yīng)用平臺，使得原本簡單的設(shè)計過程變得復(fù)雜而難以理解，學(xué)生沒有得到一定實踐能力的培養(yǎng)。例如，做“用SRAM擴(kuò)展單片機(jī)RAM技術(shù)”實驗，如果學(xué)生先用PROTEUS進(jìn)行該實驗的設(shè)計與仿真，效果明顯增大。[5]

2 研究內(nèi)容、目標(biāo)、要解決的問題和主要特色

2.1 研究內(nèi)容

2.1．1 將PROTEUS引入課堂教學(xué)

依據(jù)單片機(jī)應(yīng)用與技術(shù)教學(xué)大綱的內(nèi)容，設(shè)計演示實驗，根據(jù)每章的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計實驗見表1。

表1 仿真實驗計劃表

2.1．2 將PROTEUS引入單片機(jī)原理實驗室

學(xué)生先進(jìn)行PROTEUS設(shè)計與仿真，仿真成功后，再進(jìn)行實際實驗。PROTEUS參與的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程一搬分為4步。

1.在PROTEUS平臺上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等(簡稱PROTEUS電路設(shè)計)；

2.在PROTEUS平臺上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)潦程序設(shè)計、編輯、匯編編譯、調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件(*．hex)(簡稱PROTEUS軟件設(shè)計)；

3.在PROTEUS平臺上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，并實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實時交互、協(xié)同仿真（PROTEUS仿真)；

4.仿真正確后，安裝實際單片機(jī)系統(tǒng)電路，并將網(wǎng)標(biāo)代碼文體(*．hex)下載到實際單片機(jī)中運行、調(diào)試。若出現(xiàn)問題，可與PROTEUS設(shè)計與仿真相互配合調(diào)試，直至運行成功（簡稱實際產(chǎn)品安裝、運行與調(diào)試)。[6]

2.2 研究目標(biāo)

1.為提高教學(xué)效果，利用PROTEUS仿真軟件把教學(xué)大綱的里包含的部分軟件和硬件實驗，在課堂演示，提高授課的效果。

2.把PROTEUS仿真軟件應(yīng)用在實驗教學(xué)中，提高單片機(jī)設(shè)計的成功率，避免多次修改軟件費時費力。[6]

2.3 要解決的問題

1.教師必須掌握PROTEUS仿真軟件的基本操作，完成單片機(jī)教材中的演示實驗內(nèi)容。

2.實驗教學(xué)中學(xué)生利用PROTEUS仿真軟件開發(fā)產(chǎn)品或進(jìn)行課程設(shè)計，可以經(jīng)過PROTEUS仿真軟件的操作培訓(xùn)，這項工作有本項目組成人員共同承擔(dān)。[7]

2.4 主要特色

在教學(xué)中學(xué)生反映單片機(jī)課難懂，難學(xué)。為提高教學(xué)效果，曾將演示電路板或單片機(jī)實驗箱帶到教室演示。但教學(xué)效果并不理想，而且每次演示前要做很多的準(zhǔn)備工作，甚至超過了正常備課工作量的幾倍，費時費力。因為演示的時候除了要帶電路板或?qū)嶒炏渫?，還需要攜帶計算機(jī)、電源、仿真器、編程器等。[8]

單片機(jī)實驗教學(xué)是以MCS-51單片機(jī)為核心，在實驗課程設(shè)計中單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計分為硬件和軟件設(shè)計的兩方面內(nèi)容。傳統(tǒng)單片機(jī)的設(shè)計流程為：

圖1 傳統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計流程圖

把PROTEUS仿真軟件引入到教學(xué)和實驗中，使教學(xué)效果更生動，更容易讓學(xué)生接受，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[9]例如高考倒計時LED顯示牌的設(shè)計課題，教師通過板書畫圖可以勾畫出設(shè)計的基本界面，或通過多媒體讓學(xué)生看到設(shè)計的界面和電路板外觀，但是在解釋電路板原理、軟件設(shè)計過程和產(chǎn)品工作的動態(tài)過程，僅僅用板書和多媒體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。圖2是PROTEUS仿真軟件對高考倒計時LED顯示牌的設(shè)計課題的仿真截圖和電路板的3D效果圖，學(xué)生在課堂上就可以看到整個單片機(jī)設(shè)計的過程，直觀又生動。

圖2 高考倒計時LED顯示牌仿真效果圖

3 預(yù)期效果與具體成果

用PROTEUS仿真軟件把教學(xué)大綱里包含的部分軟件和硬件實驗，在課堂演示，提高授課的效果。[10]把PROTEUS仿真軟件應(yīng)用在實驗教學(xué)中，在學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)課程設(shè)計的時候運用PROTEUS仿真，提高單片機(jī)設(shè)計的成功率，避免多次軟件和硬件，可以節(jié)約制作電路板的費用，同時也提高了學(xué)生課程設(shè)計的效率。

圖3 PROTEUS仿真3D圖

[1]陳炳杰,余里超.基于Proteus與Keil的虛擬實驗室構(gòu)建[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2009，19（03）:65-68.

[2]莊立運,王曉輝.Proteus在數(shù)字電子技術(shù)課堂教學(xué)中的應(yīng)用探討[J]，科技信息，2011，13:86.

[3]夏新恩.基于PROTEUS仿真設(shè)計的實驗教學(xué)探索[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報，2009，30(06):146-150.

[4]趙巧妮.Proteus在單片機(jī)仿真中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(06):113-115.

[5]周靈彬,張靖武.創(chuàng)建Proteus動態(tài)器件仿真模型的技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(12):152-155.

[6]陸中宏.基于Proteus軟件的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與制作工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育[J].2011,8(1):40-41.

[7]陳昶.電子仿真軟件在單片機(jī)電路仿真中的應(yīng)用[J].山西科技，2009，(2):35-36.

[8]范程華,蔣先偉,魯世斌,等.Proteus在電工電子實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2011，19（7）:17-19.

[9]蘇變玲,朱志平,袁衛(wèi).基于Proteus的單片機(jī)仿真教學(xué)的研究[J].實驗室研究與探索，2009，28(4):75-78.

[10]黃貞,李俊雄,周朱武.Proteus軟件在單片機(jī)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2009，(9):57-59.

責(zé)任編輯：胡德明

Abstract:By studying the defect of the traditional SCM education and combining the actual conditions of teaching,this paper tries to apply Proteus into SCM classroom teaching to complete whole design and simulation process from schematic and circuit design to circuit analysis and simulation to SCM code debugging to system testing to function verification and PCB design and simulation.Practical application shows that it can not only solve problems of training students'practice skill but also improve the efficiency of SCM design process.

Key Words:simulation;single chip microcomputer;PROTEUS;assemble and compile;debug

The Application of Simulation Techniques in Single Chip Microcomputer Education

Shi Ying
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan245021,China)

G642.0

A

1672-447X（2012）03-0128-003

2011-11-09

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項目(KJ2011B164);黃山學(xué)院教學(xué)研究項目(2009JXYJ10)

石瑛（1974－），江蘇溧陽人，黃山學(xué)院信息工程學(xué)院實驗師，碩士，研究方向為機(jī)器人及語音識別。