淺談Proteus仿真在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

張高勝

【摘要】Proteu s軟件是集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身的嵌入式系統(tǒng)仿真平臺(tái)，不僅能夠?qū)﹄姽ぁ㈦娮蛹夹g(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。本文針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)的解決方案。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 仿真

一、引言

單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等領(lǐng)域，如今單片機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種常規(guī)的控制工具，單片機(jī)原理這門(mén)課程也成為各中職學(xué)校電類(lèi)、機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。本門(mén)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，而中職學(xué)校又以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主，這就對(duì)中職學(xué)校的單片機(jī)教學(xué)提出了更高的要求。如何提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是我們?cè)趩纹瑱C(jī)教學(xué)中的重要著眼點(diǎn)。

二、單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

大多數(shù)學(xué)校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常采用實(shí)驗(yàn)箱或者實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采取這種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)雖然方便，但是也存在不足。首先，使用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱屬于成品，其電路連接都是已經(jīng)固定連接好的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能停留在演示性及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的層次，學(xué)生很難參與到其中的設(shè)計(jì)，也不能充分了解硬件電路的實(shí)際連接情況，動(dòng)手能力得不到訓(xùn)練與提高。其次，單片機(jī)的種類(lèi)繁多，而實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)板上的資源有限，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里不可能包括所有種類(lèi)的單片機(jī)設(shè)備以及各種外圍電路，因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容造成了很大的制約。這也是因?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)的迅速更新和發(fā)展，使許多學(xué)校設(shè)備落后、老化，不斷地購(gòu)買(mǎi)儀器設(shè)備又會(huì)帶來(lái)資金耗費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。第三，實(shí)驗(yàn)箱只有實(shí)驗(yàn)室才有，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，而單片機(jī)課程需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)鞏固課堂知識(shí)，應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)造條件在課后動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。第四，實(shí)驗(yàn)儀器的損耗與維護(hù)問(wèn)題嚴(yán)重實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要用到的儀器較多，易造成設(shè)備的損壞，維護(hù)工作量也很大。因此，傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著很大的不足。

三、Proteus在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)

Proteus引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1.硬件投入少、損耗小。Proteus支持8051、8086、AVR、ARM等多種處理器模型，為我們提供了30多個(gè)元件庫(kù)，超過(guò)27000個(gè)仿真器件，其中元件涉及模擬和數(shù)字、直流和交流等，還提供了電壓表、電流表、計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器、示波器、邏輯分析儀等豐富的虛擬儀器，還有包括直流、正弦、脈沖、音頻等多種激勵(lì)源，為學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)資源。這樣，在實(shí)驗(yàn)中可以使用虛擬元器件來(lái)代替實(shí)際器件，而不用去購(gòu)買(mǎi)實(shí)際的元件，節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，另外在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)造成元器件和儀器儀表的損耗，既減少了損耗，又可以使學(xué)生能夠大膽地進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。

2.接近于實(shí)際工程。Proteus中提供的虛擬元件參數(shù)都是由各生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的，學(xué)生在仿真調(diào)試成功后再進(jìn)行實(shí)際電路的搭建和調(diào)試，基本上就能夠成功了，即使需要修改也不會(huì)有大的變動(dòng)，可以獲得事半功倍的效果。利用基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以完成從硬件設(shè)計(jì)、軟件編程到聯(lián)機(jī)調(diào)試的整個(gè)過(guò)程，與實(shí)際工程最為接近，可以使學(xué)生了解實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程。

3.易于管理與維護(hù)。基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心是Proteus仿真軟件，其硬件是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)可以在機(jī)房進(jìn)行，也可以在寢室完成，不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性管理。而實(shí)驗(yàn)室的管理只不過(guò)是用戶(hù)賬號(hào)的管理和軟件的更新與維護(hù)，極大地減少了教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理與維護(hù)的工作量。利用Proteus平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生可以完成從設(shè)計(jì)、仿真到最后制板調(diào)試的整個(gè)過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力，學(xué)生普遍反映比單純地學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)更容易掌握和理解。

四、用Proteus改進(jìn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的解決方法

1.利用仿真軟件Proteus構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室。由于軟件的靈活性和較寬的適應(yīng)性，使得可以仿真的內(nèi)容幾乎囊括了單片機(jī)課程的所有知識(shí)點(diǎn)，為實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以利用Proteus所提供的元器件模型和外設(shè)模型親自設(shè)計(jì)硬件電路圖，獨(dú)立進(jìn)行軟件編程，最后聯(lián)合調(diào)試，并能及時(shí)看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的教學(xué)方法一方面可以讓學(xué)生了解應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)，鍛煉編程技術(shù)，同時(shí)也給學(xué)生提供了較大的創(chuàng)新空間。

2.用Proteus改革單片機(jī)課程設(shè)計(jì)。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是以學(xué)生為主的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，需要設(shè)計(jì)一些基于單片機(jī)的系統(tǒng)，以提高學(xué)生的綜合能力。傳統(tǒng)方法中應(yīng)用程序需要在硬件完成的情況下才能進(jìn)行調(diào)試，這就必須進(jìn)行制版、元器件焊接。另外，如需修改硬件，還要重新制版，在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入上會(huì)帶來(lái)很大麻煩。利用Proteus的仿真功能，可以使學(xué)生嘗試脫離實(shí)物電路進(jìn)行軟硬件調(diào)試，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的難度。在Proteus仿真軟件構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以根據(jù)教師布置的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)和要求自主設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)自身喜好和掌握知識(shí)的程度自選設(shè)計(jì)題目，這樣就培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新意識(shí)。仿真成功之后，再購(gòu)買(mǎi)元器件進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化，最終達(dá)到每組獨(dú)立完成一件作品的目的。