基于Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘 要：針對目前微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題，基于Proteus虛擬仿真軟件進(jìn)行了微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新。通過實(shí)踐闡明了Proteus在該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)以及教學(xué)效果，實(shí)踐表明，使用虛擬平臺能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，是一個(gè)很好的教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真；微機(jī)原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP301-4

微機(jī)原理是高校計(jì)算機(jī)、機(jī)械、自動化等相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，要求學(xué)生掌握匯編語言的編程技巧，并能具有硬件接口電路的設(shè)計(jì)開發(fā)能力，學(xué)習(xí)上有一定的難度。微機(jī)原理課程知識面廣、內(nèi)容抽象且難度大，需要學(xué)習(xí)者能通過實(shí)驗(yàn)鞏固課堂學(xué)習(xí)的芯片或接口，實(shí)踐教學(xué)相當(dāng)重要。然而，大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)室都采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，即利用專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容千篇一律，比較單一，學(xué)生缺乏積極性；實(shí)驗(yàn)箱上芯片基本已經(jīng)固定，實(shí)驗(yàn)只能以驗(yàn)證性為主，學(xué)生只要連接少量的線路，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不去深入了解各個(gè)芯片的功能與聯(lián)系，很難理論聯(lián)系實(shí)際，更是無法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，學(xué)生缺乏興趣；另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格不菲，容易損壞，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

課題組基于以上原因，進(jìn)行了微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)的改革研究，以Proteus仿真軟件為實(shí)驗(yàn)手段，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，仿真課程中常用的接口芯片，改善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的不足，提高實(shí)驗(yàn)效果。

1 構(gòu)建基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室指的是基于Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是虛擬化的、數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)室，是未來實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向。

Proteus軟件是英國Labcenter公司開發(fā)的可視化的仿真平臺，應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)，可以進(jìn)行實(shí)物仿真和印制電路板設(shè)計(jì)，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備齊全的綜合性實(shí)驗(yàn)室。該軟件提供了大量的虛擬硬件，包括模擬元器件、數(shù)字元器件、常見外部設(shè)備，還具有示波器和信號發(fā)生器等虛擬儀表，可以將信號的變化以圖形的方式實(shí)時(shí)仿真顯示。因此，近年來許多課程在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入了該平臺，例如單片機(jī)課程、電子電路課程等。

2009年Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺，Proteus也支持8086CPU與匯編語言，能支持微機(jī)原理課程中涉及的8255、8253、8259等接口芯片的系統(tǒng)仿真。課題組嘗試構(gòu)建基于Proteus的微機(jī)原理虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，輔助學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢

2.1 操作簡單，內(nèi)容豐富

Proteus軟件包含大量的元器件和儀表器件，可以支持從簡到難的大量實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師可以一開始安排驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，隨著學(xué)生知識的掌握和理解，后期安排綜合性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；而且Proteus的可視化界面比較直觀，程序操作簡單，不用擔(dān)心弄壞芯片或?qū)Ь€。

2.2 開放性好

由于經(jīng)費(fèi)、維護(hù)等問題，一般高校中配置傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)室只有一到兩個(gè)。而虛擬實(shí)驗(yàn)室無此限制，只需一臺電腦即可安裝Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室上機(jī)實(shí)驗(yàn)，課后也可以在家里或宿舍里復(fù)習(xí)或自行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不受時(shí)間和空間的限制。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀

Proteus中學(xué)生可以一目了然地觀察到虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如果有問題可以隨時(shí)更改程序，重新仿真。從學(xué)生的積極性方面看，通過自己搭建硬件，編寫程序等過程，一步一步最終獲得成功的結(jié)果，學(xué)生明顯感到成就感，這樣也促使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣更加濃厚。

2.4 節(jié)約成本

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格昂貴，建設(shè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室需要較多的資金。使用過程中，經(jīng)常有學(xué)生使用不當(dāng)，造成芯片燒掉、導(dǎo)線弄斷等損壞，因而實(shí)驗(yàn)室每個(gè)學(xué)期都要購買一定的配件或請廠家進(jìn)行維修，而虛擬實(shí)驗(yàn)室就不存在這些問題，能夠有效地節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

3 基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)方法

以學(xué)生簡單接口實(shí)驗(yàn)“跑馬燈”為例，介紹基于Proteus的虛擬實(shí)驗(yàn)方法及過程。

3.1 分析設(shè)計(jì)

這是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，是課堂教學(xué)的鞏固和延伸，主要目的是熟悉和掌握芯片74LS373和74LS245，理解CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的例題中實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)開關(guān)的不同，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈。學(xué)生在自己動手做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)容略微深入一些，要求能實(shí)現(xiàn)簡單的跑馬燈。本實(shí)驗(yàn)有3個(gè)模塊：CPU模塊由8086，地址譯碼器等組成；開關(guān)輸入模塊由74LS245采集開關(guān)K0～K7的狀態(tài)；控制顯示模塊由74LS373輸出的信號給發(fā)光二極管LED0～LED7。

3.2 搭建硬件

將實(shí)驗(yàn)需要的器件從元件庫選出，按照電路分析放置和連接，然后根據(jù)需要設(shè)置所用元件的參數(shù)。學(xué)生自行連線，選擇地址譯碼端口，可以充分了解各個(gè)元件的引腳功能、特性及它在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的功能。

3.3 編寫程序

參考課堂教學(xué)實(shí)例的程序，再根據(jù)自己實(shí)際的硬件電路，編寫相應(yīng)的程序。傳統(tǒng)方法是在DOS下編寫和編譯程序，沒有語法錯(cuò)誤時(shí)再將可執(zhí)行程序下載到實(shí)驗(yàn)箱，和硬件有關(guān)的錯(cuò)誤就可能漏掉。Proteus雖然并沒有8086編譯器，但是可以添加外部代碼編譯器，這樣，可以直接在Proteus中編寫程序，并進(jìn)行編譯，直接方便而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟硬件之間的錯(cuò)誤。在實(shí)際學(xué)生做實(shí)驗(yàn)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤較多的是兩個(gè)芯片的端口地址與譯碼電路不相符合，學(xué)生通過提問、互相討論等方式排除問題，進(jìn)一步理解了8086CPU的I/O端口的編址方式。

3.4 仿真調(diào)試和運(yùn)行

程序編寫完后在Proteus中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，若程序有錯(cuò)誤，調(diào)試窗口會做出提示，顯示出錯(cuò)位置及原因，提醒學(xué)生進(jìn)行改正。程序編譯通過后，即可進(jìn)行仿真運(yùn)行，根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)，開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，LED燈出現(xiàn)不同的變化。

4 改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和手段

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分三步進(jìn)行。第一步：教師通過多媒體講解教材實(shí)例，演示仿真過程。第二步指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行在實(shí)例的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自己設(shè)計(jì)電路，實(shí)現(xiàn)指定的功能。最后，教師根據(jù)學(xué)生完成情況，和學(xué)生一起總結(jié)錯(cuò)誤類型，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等，布置一些課后思考。例如，“跑馬燈”實(shí)驗(yàn)之后，讓學(xué)生把接口芯片換成8255A，開關(guān)改成鍵盤等進(jìn)行設(shè)計(jì)，觀察設(shè)計(jì)過程有何不同。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化對課程內(nèi)容的掌握和理解。

由于實(shí)驗(yàn)箱的限制，原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單調(diào)，而且芯片很少綜合應(yīng)用。使用Proteus軟件后實(shí)驗(yàn)的安排變得更加靈活。課題組重新改善了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容安排，減少了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為學(xué)有余力的同學(xué)安排了一些設(shè)計(jì)課題，例如模擬交通燈、八路搶答器、籃球賽計(jì)分器等。

另外，鼓勵(lì)有能力的學(xué)生分組進(jìn)行課題研究。Proteus下不需要購買配件，沒有元器件的損耗，學(xué)生只要用一臺電腦就可以進(jìn)行自主創(chuàng)新。而且Proteus中可使用的元器件非常豐富，學(xué)生的設(shè)計(jì)空間更大了。

5 總結(jié)

通過課題組成員的共同努力，利用Proteus軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革取得了一定的成果。學(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力得到加強(qiáng)，是提高教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)有效的方法，同時(shí)又節(jié)約了硬件資源，擴(kuò)展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。

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作者簡介：張潔（1979-），女，講師，工程碩士，研究方向：語義網(wǎng)本體。

作者單位：南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226019

基金項(xiàng)目：南通大學(xué)教學(xué)研究課題（課題編號：2011B62）。