基于EDA仿真軟件的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革探索

田 嵩 ,紀(jì) 鵬,祁文青

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

基于EDA仿真軟件的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革探索

田 嵩 ,紀(jì) 鵬,祁文青

(湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

根據(jù)單片機(jī)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合EDA仿真軟件在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用情況，探討了利用EDA仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)選擇合適的EDA軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)改革創(chuàng)新，取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

EDA；仿真技術(shù)；Proteus；KEIL

隨著高校體辦學(xué)模式制以及社會(huì)需求的不斷變化，高校越來(lái)越重視對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。培養(yǎng)應(yīng)用型人才是應(yīng)用型本科院校辦學(xué)的目標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。筆者根據(jù)在單片機(jī)課程教學(xué)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)以及傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題和弊端,結(jié)合EDA仿真軟件在硬件仿真中的使用和實(shí)驗(yàn)的可行性[1],將EDA仿真軟件應(yīng)用于單片機(jī)的實(shí)踐教學(xué)改革中,在相關(guān)課程的具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的效果,學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也得到了明顯地提高。

1 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的現(xiàn)狀

在計(jì)算機(jī)、機(jī)電、電氣等專業(yè)中單片機(jī)課程是一門(mén)專業(yè)必修課程，該課程內(nèi)容還涉及到單片機(jī)應(yīng)用和單片機(jī)控制等相關(guān)課程。單片機(jī)是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片，教學(xué)中存在很多的難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，單片機(jī)課程通過(guò)文字和圖片等形式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造和連線的認(rèn)識(shí)，而通過(guò)仿真軟件的現(xiàn)場(chǎng)連線設(shè)計(jì)和單片機(jī)總線的鏈接，則有利于學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)。

在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中，一般依賴于實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)，例如我校計(jì)算機(jī)學(xué)院在過(guò)去的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中，使用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱是啟東DICK-K51專用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中，可以采用硬件實(shí)驗(yàn)和軟件實(shí)驗(yàn)2種方式。軟件實(shí)驗(yàn)可以鞏固單片機(jī)課堂中匯編和C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)成果，讓學(xué)生了解在匯編語(yǔ)言環(huán)境下的基本匯編指令，比如清零程序、拆字程序、拼字程序、數(shù)據(jù)區(qū)傳送子程序等，有相應(yīng)的窗口可查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生可以很好地掌握課堂知識(shí)。在硬件實(shí)驗(yàn)中，如P1口亮燈實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)彎燈實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)順序控制實(shí)驗(yàn)等，也可通過(guò)實(shí)物小燈閃亮的情況讓學(xué)生將程序的驅(qū)動(dòng)具體到實(shí)物，有很強(qiáng)的視覺(jué)效果，但是在實(shí)際操作過(guò)程中，學(xué)生缺乏單片機(jī)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思路和學(xué)習(xí)理念，且存在設(shè)備容易損壞、不易維修以及成本高等問(wèn)題?；诖?，筆者結(jié)合在過(guò)去實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題以及仿真軟件的便利性，探索一種基于EDA的教學(xué)模式，將EDA仿真軟件和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行了單片機(jī)教學(xué)改革創(chuàng)新，取得了良好的教學(xué)效果。

2 仿真軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

2.1 EDA在仿真教學(xué)中的作用

傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者手動(dòng)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)者有較高的繪圖水平，隨著電子軟件的不斷發(fā)展，EDA技術(shù)的出現(xiàn)給電子設(shè)計(jì)帶來(lái)了嶄新的一面。EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)的縮寫(xiě)，它是融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化信息技術(shù)以及應(yīng)用電子技術(shù)，并隨著這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。由于使用了EDA工具，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以從協(xié)議、算法、概念等方面開(kāi)始設(shè)計(jì)芯片和電子系統(tǒng)以及內(nèi)部的連接系統(tǒng)，并可以將電子產(chǎn)品從性能分析、電路設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成[2]。

2.2單片機(jī)教學(xué)改革中PROTEUS的使用

在全球廣泛使用的PROTEUS軟件是來(lái)自英國(guó)Labcenter Electronics公司的EDA工具軟件，采用PROTEUS作為單片機(jī)教學(xué)改革的軟件，首先是由于它除了具有處理EDA設(shè)計(jì)的相關(guān)功能外，還具備設(shè)計(jì)單片機(jī)和外圍仿真電路的功能，在單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著舉足輕重的作用。其次，采用PROTEUS還便于教師在有限的實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的教授，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容也比較容易掌握。而且PROTEUS還便于開(kāi)發(fā)和維護(hù)，它是目前世界上唯一將虛擬模型仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和電路仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其模型處理器支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并仍在持續(xù)增加其他系列處理器模型。PROTEUS在編譯中支持MPLAB、KEIL和IAR等多種編譯器[3]，支持KEIL也具備很多的優(yōu)點(diǎn)，KEIL在單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言的設(shè)計(jì)中，具有開(kāi)發(fā)容易和編譯簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，PROTEUS也是在KEIL的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真和開(kāi)發(fā)的，因此，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是采用PROTEUS作為開(kāi)發(fā)工具。

2.3基于EDA的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的可行性分析

在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革中，主要從硬件和軟件以及學(xué)生接受等方面分析其可行性。不僅要考慮教學(xué)改革中的成本還要考慮軟件的開(kāi)發(fā)性和可移植性，同時(shí)實(shí)驗(yàn)器材的可維護(hù)性也很重要，在教學(xué)中還要注重學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣以及教學(xué)改革對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1)硬件方面。在過(guò)去的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室里每臺(tái)計(jì)算機(jī)需要配置一臺(tái)DICE-K51的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱中可以完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，其中包括軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)，但這樣的硬件環(huán)境存在實(shí)驗(yàn)箱笨重、容易損壞等缺點(diǎn)。例如在實(shí)驗(yàn)課中經(jīng)常出現(xiàn)仿真串口不能正常連接的情況，易打消學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。而且在該實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)中，教學(xué)器材已將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)部連接線完全連接好，在驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，也只需將接口中的連接線連接好，操作過(guò)于簡(jiǎn)單，不便于學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，也不便于學(xué)生更好地了解單片機(jī)的基本構(gòu)造和原理。傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱還存在成本高和不易維護(hù)等缺點(diǎn)。為了便于教學(xué)，在上學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中(包括本科和?？?，筆者結(jié)合EDA仿真軟件對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，從學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果來(lái)看，改革取得了良好的成效。

2)軟件方面。在單片機(jī)仿真教學(xué)中，采用PROTEUS軟件和KEIL-C軟件作為教學(xué)改革的軟件平臺(tái)。在KEIL-C中用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，KEIL通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(uVision)將宏匯編、C編譯器、庫(kù)管理、連接器和仿真調(diào)試器等整合在一起，在WINDOWS XP以上的開(kāi)發(fā)環(huán)境中都可以運(yùn)行。KEIL-C可以使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使學(xué)生能夠較全面地鞏固和應(yīng)用匯編語(yǔ)言編程方面的理論知識(shí)，并且在KEIL-C的環(huán)境中，可以驅(qū)動(dòng)PROTEUS的仿真程序，實(shí)現(xiàn)仿真效果，使用PROTEUS 軟件進(jìn)行微機(jī)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際開(kāi)發(fā)的能力[4]。

3 EDA仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體實(shí)施

在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”這2門(mén)課程的理論教學(xué)改革中，除了結(jié)合PPT講解以外，還在課堂中穿插了PROTEUS軟件的學(xué)習(xí)。在講授PROTEUS軟件時(shí)，先用案例教學(xué)的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后講授在PROTEUS中各個(gè)部件的代號(hào)和畫(huà)法，再?gòu)谋尘暗脑O(shè)置等方面展開(kāi)PROTEUS軟件的學(xué)習(xí)。例如在講解完基本組成、雙列直插式引腳以及總線的連接后，直接在PROTEUS中教授ATM89C51的放置以及引腳的功能[5]，通過(guò)放大電路圖來(lái)深入講解，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在程序的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中，采用KEIL-C作為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)和驅(qū)動(dòng)，通過(guò)界面可以了解PC的運(yùn)行情況以及寄存器的分布和存儲(chǔ)情況，同時(shí)可以連接到PROTEUS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和仿真，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

除了對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行了一些改革之外，在實(shí)踐教學(xué)的改革中也使用了仿真軟件，學(xué)生在理論課學(xué)習(xí)仿真軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)鞏固課堂所學(xué)單片機(jī)原理的理論知識(shí)，學(xué)生的程序編寫(xiě)能力以及單片機(jī)開(kāi)發(fā)能力也明顯得到提高。通過(guò)PROTEUS將開(kāi)發(fā)過(guò)程具體細(xì)化，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和開(kāi)發(fā)能力也有較大提高。

4 實(shí)踐教學(xué)改革典型案例

在本科教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)改革中，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占16個(gè)學(xué)時(shí)，分為8個(gè)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都結(jié)合EDA仿真軟件實(shí)現(xiàn)，在前期的實(shí)踐教學(xué)中讓學(xué)生熟練掌握KEIL-C的設(shè)計(jì)軟件，熟練應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，在后期的設(shè)計(jì)中學(xué)生需學(xué)會(huì)使用KEIL-C進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，要求電路能在PROTEUS的環(huán)境下設(shè)計(jì)成功，并能通過(guò)驅(qū)動(dòng)模擬單片機(jī)運(yùn)行的結(jié)果。例如“0～99計(jì)數(shù)器”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在該實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)仿真LED顯示器進(jìn)行加1和減1的功能，以下通過(guò)該案例說(shuō)明改革的效果。

在PROTEUS環(huán)境下的仿真設(shè)計(jì)圖如圖1所示，在該環(huán)境下測(cè)試連線沒(méi)有問(wèn)題之后，即可對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和驅(qū)動(dòng)。

圖1 在PROTEUS環(huán)境下的仿真設(shè)計(jì)圖

其次，在KEIL的環(huán)境下進(jìn)行源代碼驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)如下：

#include "reg51.h"

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit p21=P2^1;

sbit p20=P2^0;

uchar count;

uchar counth,count1;

const uchar tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

void delay()

{

uint i;

for(i=0;i<244;i++);

}

void it0() interrupt 0using 1

{

count++;

if(count==100)

{

count=99;

}

}

void it2() interrupt 2using 2

{

if(count !=0)

{

count--;

}

}

void main()

{

IT0=1;

IT1=1;

EA=1;

EX0=1;

EX1=1;

PX1=1;

while(1)

{

counth=count / 10;

count1=count % 10;

P1=tab[counth];

p21=1;

delay();

p21=0;

P1=tab[count1];

p20=1;

delay();

p20=0;

}

}

將其調(diào)試成功并燒錄成HEX程序。

最后，將燒錄好的程序在PROTEUS的環(huán)境下進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，仿真的效果圖如圖2所示。

圖2 仿真的效果圖

該單片機(jī)實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真圖文并茂地展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也得到了明顯地提高。

[1] 李燕.微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母母锱c實(shí)現(xiàn)[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(4)：83-85.

[2] 丁永軍，蘭才會(huì)，張晶晶.EDA技術(shù)與開(kāi)啟EDA教學(xué)[J].甘肅高師學(xué)報(bào)，2006(2)：71-72.

[3] 劉心紅，郭福田，孫振興，等.Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007(3)：96-98.

[4] 喬建華，李臨生，田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008(6)：70-73.

[5] 許文斌.Proteus軟件在單片機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)，2006(3)：90-93.

(責(zé)任編輯高嵩)

Exploration on Reform of Experimental Teaching ofMicrocomputer Principle Based on EDA

TianSong,JiPeng,QiWenqing

(School of Computer,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

According to the present situation of theory teaching and practical teaching of SCM,combined with the application of EDA simulation software in SCM practical teaching,this paper discusses the advantages of the reform of practical teaching by using EDA simulation software.The good teaching result has been achieved by selecting the suitable EDA software to reform the SCM teaching and accordingly the students' practical and originative ability have been improved.

EDA;simulation technology;Proteus;KEIL

2013-12-02

湖北理工學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)13xjz060)；2014年湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃研究課題立項(xiàng)項(xiàng)目。

田嵩(1981— )，女，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.018

G642.0

A

2095-4565(2014)04-0067-04