Keil與Proteus在微機(jī)接口技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳 軍，任進(jìn)軍，陳 琨，于 成，茍雙全

(1.定西師范高等?？茖W(xué)校 物電系，甘肅 定西 743000；2.定西師范高等?？茖W(xué)校 計算機(jī)系，甘肅 定西 743000)

0 引言

計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)同各門學(xué)科相結(jié)合，改進(jìn)了研究工具和研究方法，促進(jìn)了各門學(xué)科的發(fā)展。計算機(jī)模擬已成為研究工作的第三條途徑，己成為一種重要的研究、實驗和設(shè)計工具。計算機(jī)與有關(guān)的實驗觀測儀器相結(jié)合，可對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場記錄、整理、加工、分析和繪制圖表，顯著地提高實驗工作的質(zhì)量和效率。計算機(jī)仿真技術(shù)，是在計算機(jī)平臺上使用電子仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試，完成通常在相應(yīng)硬件實驗室才可以完成的實驗[1-4]。它實現(xiàn)理論研究和實驗研究交叉融合的結(jié)果，具有信息時代的特征。

Proteus有著數(shù)量龐大的元件資源庫，可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設(shè)計仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件，有多種存儲芯片等器件，可對單片機(jī)及外圍器件高效地仿真。在豐富的庫元件的支持下,依據(jù)系統(tǒng)原理設(shè)計圖進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用和連線，以及對元件的屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可完成繪圖工作、實現(xiàn)系統(tǒng)仿真和虛擬測量。

其虛擬系統(tǒng)模型功能(VSM)，將Spice電路模型、動態(tài)外設(shè)以及微處理器結(jié)合起來用于仿真微型計算機(jī)的接口性能。Proteus為用戶提供了一個實時交互的環(huán)境,在仿真的過程中,用戶可以通過點擊鼠標(biāo)的方式來操作電路中的按鈕等電器,微處理器也可對該輸入信號做出實時響應(yīng),并進(jìn)行相應(yīng)的程序處理且把處理結(jié)果送至輸出終端。整個過程與真實的硬件調(diào)試極其相似,而動態(tài)外設(shè)支持下的實時輸入和輸出也為開發(fā)者呈現(xiàn)了一個最接近現(xiàn)實的調(diào)試環(huán)境。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

1 實驗過程流程及Proteus電路原理設(shè)計流程

實驗過程流程如圖 1所示，在理論教學(xué)過程中，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，借助于仿真軟件平臺，根據(jù)所學(xué)電路的原理圖，應(yīng)用Proteus模擬連接電路，確定電路中的各元器件參數(shù)，使用其虛擬儀器進(jìn)行在線動態(tài)測量[5-6]。通過人機(jī)對話的方式，能使每位學(xué)生都能親自動手接觸電路,連接元件,參數(shù)設(shè)定。對照電路設(shè)計要求更改相關(guān)元件參數(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的操作設(shè)計能力。

Proteus電路原理設(shè)計流程如圖2所示，可隨時調(diào)整和修改元器件參數(shù),分析各元件參數(shù)對電路的作用與影響。這樣邊連線，邊測試，邊修改，邊分析，觀察仿真結(jié)果，并與理論計算進(jìn)行對照比較，實驗與理論的有機(jī)結(jié)合加深了學(xué)生對理論的認(rèn)識及理解。

圖1 實驗過程流程圖 圖2 Proteus電路原理設(shè)計流程圖

2 電路設(shè)計與仿真實踐

以“程序控制CPU輸出0/1電平”為例進(jìn)行電路設(shè)計及實時仿真。

2.1 電路模型分析

通過編程控制AT89C52(CPU)的管腳，使其輸出的電平發(fā)生高低變化，然后，利用外電路接入的發(fā)光二極管來直觀地顯示AT89C52管腳電平的高低。

2.2 模型搭建

(1)首先啟動Proteus仿真軟件，進(jìn)入ISIS Professional的設(shè)計、開發(fā)編輯界面環(huán)境。

(2)設(shè)計創(chuàng)建實驗電路[7-8]

1)元件的選取。在Proteus仿真軟件環(huán)境窗口中選擇主菜單“Library”→“PickDevice/Symbol”，(或直接單擊左側(cè)模型選擇工具欄中的圖標(biāo)“Component Mode”，再單擊器件工具列表窗口中的“P”按鈕，)彈出相應(yīng)的 “Pick Devices”(元件拾取)對話框。在所查找的元件名關(guān)鍵詞中分別填寫并查找如表1所列的元器件，單擊“OK”，則所需的元器件選取到器件工具列表窗口中。

表1 元件清單

2)實驗電路的設(shè)計創(chuàng)建。依次先把器件工具列表窗口中的元件放置到原理圖編輯窗口中。選擇左側(cè)模型選擇工具欄中的接地工具“Terminals Mode”，單擊“POWER”，則其出現(xiàn)在元件預(yù)覽區(qū)，將其放置到原理圖編輯窗口中，搭建電路如圖3 所示。

圖3 實驗仿真電路圖

3)電路文件的保存。電路創(chuàng)建、聯(lián)接好之后，將該電路保存在“l(fā)ed”文件夾中并名命為“l(fā)ed89c52.dsn”，以備用、調(diào)試、仿真。

4)軟件編寫及目標(biāo)文件生成。首先，創(chuàng)建工程項目文件及為工程選擇目標(biāo)器件：啟動keil-μVsion2創(chuàng)建文件，選擇菜單Project /New Project,將文件命名為led52.uv2并保存在led文件夾中(和電路文件led89c52.dsn在同一文件夾中)。同時彈出工程選擇目標(biāo)器件對話框“Select Device for Target ‘Target 1’”，對CPU的器件型號進(jìn)行選取，選擇Atmel中的At89C52，點擊確定，完成設(shè)置；其次，設(shè)置工程項目軟硬件調(diào)試環(huán)境：選擇菜單Project /Options for Target ’Target 1’，彈出對軟硬件調(diào)試環(huán)境話框，其中對Output選項卡的設(shè)置如圖4所示；創(chuàng)建源程序文件并保存源程序項目文件：選擇菜單File/New，在彈出的文本編輯窗口中編寫如圖5所示的代碼并以led.c文件名保存；添加源程序文件到項目中:在led52的項目觀察窗口中的Source Group1 文件夾圖標(biāo)上右擊，在彈出的菜單中選擇Add Files to Group ‘Source Group 1’，如圖6所示,這樣，將led52.c源程序文件到項目中；最后，對源程序文件編譯、連接與調(diào)試生成led52.hex目標(biāo)文件。

5)keil-μVsion2軟件與Proteus的結(jié)合及仿真過程。首先，打開在Proteus環(huán)境下創(chuàng)建的led89c52.dsn文件；然后，在該編輯環(huán)境窗口中左鍵雙擊At89C52元件，如圖7所示，在彈出的Edit Component窗口的 Program File欄中將keil-μVsion2軟件環(huán)境下編譯生成的目標(biāo)文件led52.hex加載到At89C52元件中。最后，啟動仿真按鈕，開始仿真，其結(jié)果如圖8所示，可直觀、形象地觀察到D1燈亮，D2燈不亮，實驗設(shè)計結(jié)果達(dá)到預(yù)期目的。

圖4 Output選項卡設(shè)置屬性窗口 圖5 文本編輯窗口

圖6 添加代碼窗窗口 圖7 Edit Component窗口

圖8 仿真結(jié)果圖

3 仿真教學(xué)應(yīng)用的意義及存在的問題

仿真教學(xué)的運用將大大提高課堂教學(xué)的效果，使課堂教學(xué)內(nèi)容更充實，現(xiàn)象更生動。

利用仿真技術(shù)營造教學(xué)情境、啟發(fā)學(xué)生思考、自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí),即實現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的“有意義的傳遞與教師主導(dǎo)下的自主探究相結(jié)合”為特征的教與學(xué)活動，這樣就可以把學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來, 使傳統(tǒng)的以教師為中心的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變革，從而使學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、合作精神、合作能力、實踐能力的培養(yǎng)真正落到實處。

同時，利用仿真技術(shù)提供的虛擬實驗環(huán)境將極大地提高了大專院校實驗開出率，最大限度地減少實驗室投資和占地面積，還可以避免因操作而對儀器造成的損壞,對于某些實驗中不易觀察到的現(xiàn)象可以進(jìn)行模擬仿真，有利于適應(yīng)市場不斷變化的需求，解決新專業(yè)設(shè)備投資欠缺等問題。

在教學(xué)過程中，利用Proteus在計算機(jī)上進(jìn)行仿真實驗，作為教學(xué)的補(bǔ)充。使學(xué)生增強(qiáng)對電路的感性認(rèn)識，掌握各種儀器的基本使用、電路參數(shù)的測試方法。

當(dāng)然，仿真教學(xué)還是一個新的教學(xué)形式，在運用技術(shù)和開發(fā)能力等方面還存在著這樣那樣的問題。比如，在軟件平臺方面作為電子線路設(shè)計自動化軟件的Proteus雖然對電路原理圖的繪制與實時、動態(tài)的仿真十分強(qiáng)大，但缺乏一個簡化的教學(xué)模型，而是采用一般性的方法對電路進(jìn)行分析、設(shè)計。又如，在軟件的開發(fā)方面，一方面缺乏開發(fā)人員；另一方面，開發(fā)者、教學(xué)者、生產(chǎn)技術(shù)人員之間相互理解欠缺，軟件的針對性、交互性、指導(dǎo)性還相對缺乏。

4 結(jié)語

在信息技術(shù)的推動下，仿真科學(xué)與技術(shù)和國計民生、國防建設(shè)關(guān)系緊密。仿真已形成較為完整的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用體系，成為共用的、戰(zhàn)略性科學(xué)技術(shù)，并朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化和自動化的方向發(fā)展。仿真是一種應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的基于模型[9-13]進(jìn)行研究的方法，具有無毒、無害、無破壞性、可多次重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)、可控、不受氣象氣候條件和場地空間限制的優(yōu)勢。在教育領(lǐng)域，仿真的應(yīng)用越來越廣泛。利用Keil和Proteus相結(jié)合對電路的設(shè)計、仿真對當(dāng)前教學(xué)資源相對不足的條件下學(xué)習(xí)從硬件電路設(shè)計、軟件程序編程到觀察仿真結(jié)果的完整過程,既提高了學(xué)習(xí)興趣,鞏固了所學(xué)的知識,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力,克服了實驗設(shè)備和實驗設(shè)計時間不足的瓶頸。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魯越青,朱小芳,白忠喜.對高校實驗室建設(shè)與教學(xué)管理職能整合的思考[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):146-149.

[2] 陳軍.信息技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)整合的實踐探索 [J].甘肅高師學(xué)報，2011，16(2)：83-85.

[3] 李雪梅.在數(shù)字電路教學(xué)中引入現(xiàn)代EDA技術(shù)[J].物理實驗,2004,24(5):28-30.

[4] 顏挺利,喬鐘緯,陳俊凱.基于LabWindows/CVI和Matlab的改進(jìn)Farrow結(jié)構(gòu)濾波器設(shè)計[J]. 洛陽理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2009,19(3):28-30,34.

[5] 陳軍，茍雙全，李德奎，等.Proteus仿真技術(shù)與模擬電路教學(xué)整合的實踐探索[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報,2012，22(1)：86-90.

[6] 陳軍.EWB仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)實踐中的探討[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報，2010,19(8)140-144.

[7] 朱清慧.Proteus教程:電子線路設(shè)計、制版與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:60-127.

[8] 陳軍，李春光.禁忌學(xué)習(xí)神經(jīng)元模型的電路設(shè)計及其動力學(xué)研究[J].物理學(xué)報,2011,60(2):68-76.

[9] 田社平,俞水鋒,方向忠,等. Proteus在微機(jī)原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2011,33(5):70-72.

[10] 陳軍.Proteus仿真技術(shù)與數(shù)字電路教學(xué)整合的實踐[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(3):92-94.

[11] 陳軍.對頻譜及其幾何意義的探討[J].物理通報,2010(9):56-58.

[12] 陳軍，連玉平，茍雙全.基于proteus的單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換設(shè)計與仿真[J].動化與儀器儀表，2012(1)：141-142,145.

[13] 梁迎麗，梁英豪.基于虛擬桌面的IT實驗室系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2012,22(5):111-115.