虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

凌六一 黃友銳 唐超禮 曲立國 陳珍萍 徐善永 韓濤

摘要：單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生掌握單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要。為解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、實(shí)驗(yàn)課時(shí)及硬件條件有限等問題，本文將Proteus和Keil相結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，給出了兩者聯(lián)合仿真的方法與步驟，通過具體實(shí)例驗(yàn)證了應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的可行性，表明了虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);單片機(jī)課程;虛擬仿真;Proteus軟件

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0121-02

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是將一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，它具有體積小、耗能低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療電子、家用電器等領(lǐng)域。鑒于單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的應(yīng)用前景，單片機(jī)課程已成為很多高校電子信息類專業(yè)本科生必修課程之一。作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)多以MCS-51單片機(jī)及其匯編語言開發(fā)作為主要授課內(nèi)容，匯編指令可以幫助學(xué)生直接了解和掌握系統(tǒng)硬件及編程，但由于單片機(jī)匯編指令較多，在學(xué)習(xí)過程中若不反復(fù)使用這些指令來開發(fā)一些實(shí)際系統(tǒng)，學(xué)生是很難記住，更談不上熟練掌握這些指令，從而限制學(xué)生深層次地理解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及接口設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。盡管目前單片機(jī)課程教學(xué)中都設(shè)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但畢竟實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，而且多數(shù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，學(xué)生很難在短時(shí)間的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對單片機(jī)系統(tǒng)一探究竟。由于硬件條件與實(shí)驗(yàn)條件的限制，不可能每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會在課余時(shí)間進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)訓(xùn)練。雖然單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)有限，但計(jì)算機(jī)已很普及，擁有計(jì)算機(jī)的學(xué)生很多，為此本文擬采用Proteus和Keil軟件相結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)[1]，模擬單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)及編程，進(jìn)行單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐，通過仿真環(huán)境增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，從而來提高教學(xué)質(zhì)量。

一、單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

目前，很多高校的單片機(jī)課程以MCS-51內(nèi)核的單片機(jī)作為授課內(nèi)容，著重介紹此類單片機(jī)的匯編語言編程與開發(fā)。而單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要圍繞課堂教學(xué)展開，實(shí)驗(yàn)課時(shí)非常有限，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要用于驗(yàn)證書本上的內(nèi)容?？偟膩碚f，目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題[2-4]，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，為了盡可能多地涉及到課本上的一些主要內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排上只能以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)會具體給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)步驟，甚至連實(shí)驗(yàn)程序一并給出。在這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生處于被動地位，其獨(dú)立思考問題能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力得不到有效的鍛煉。

（2）實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力得不到鍛煉。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多為高度集成的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不需要自行搭建硬件電路，而只需進(jìn)行簡單的連線即可滿足實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)要求。因此，學(xué)生無法實(shí)踐單片機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)，更談不上自行設(shè)計(jì)電路并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證正確與否了。

（3）實(shí)驗(yàn)硬件缺失，難以開展綜合性實(shí)驗(yàn)。單片機(jī)學(xué)習(xí)不僅是編程序，驗(yàn)證一下指令系統(tǒng)那么簡單。在掌握單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和軟件編程的基礎(chǔ)上，將單片機(jī)最小系統(tǒng)與外部硬件結(jié)合起來，能夠?qū)纹瑱C(jī)真正應(yīng)用到實(shí)踐中，這樣才能讓學(xué)生建立起單片機(jī)系統(tǒng)的概念，讓他們真正體會到單片機(jī)的應(yīng)用價(jià)值，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的興趣。然而，由于實(shí)驗(yàn)硬件條件有限，能夠增強(qiáng)學(xué)生建立單片機(jī)系統(tǒng)概念的綜合性實(shí)驗(yàn)很難開展起來。實(shí)際上，也只有一小部分學(xué)生能通過學(xué)科競賽而不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)來真正掌握單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)。

二、虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。Proteus軟件是一款電路分析仿真軟件，非常適用于開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的虛擬仿真。Keil軟件是一款單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)軟件，支持匯編、C語言及混合編程。通過Proteus軟件建立虛擬的單片機(jī)系統(tǒng)，再利用Keil軟件對單片機(jī)程序進(jìn)行調(diào)試，程序的運(yùn)行結(jié)果能夠在Proteus環(huán)境中得以反映，這兩者的有機(jī)結(jié)合完全可以模擬出“單片機(jī)系統(tǒng)+仿真器+開發(fā)軟件”這種實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1.Proteus與Keil軟件簡介

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。從原理圖繪制、PCB設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)以及Cortex和DSP系列處理器。支持匯編語言的編輯、編譯、源碼級仿真，內(nèi)帶匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結(jié)合，進(jìn)行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試，配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。

Keil軟件是一款兼容51系列單片機(jī)的開發(fā)工具，它提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。支持匯編、C語言及混合編程，可以在無硬件情況下進(jìn)行純程序調(diào)試的模擬仿真，也可以通過單片機(jī)仿真器、JTAG等程序調(diào)試接口對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試。

2.Proteus與Keil軟件的聯(lián)合仿真步驟

在進(jìn)行聯(lián)合仿真之前，需要將Proteus軟件和Keil軟件聯(lián)系起來，聯(lián)合仿真的具體操作步驟如下：

第一步：安裝Keil環(huán)境下的Proteus VSM仿真器的驅(qū)動程序（vdmagdi.exe）;

第二步：在Proteus開發(fā)環(huán)境中建立項(xiàng)目文件，根據(jù)具體仿真內(nèi)容，繪制單片機(jī)系統(tǒng)電路圖，包括添加信號源、顯示工具等;

第三步：在Proteus開發(fā)環(huán)境中，Debug菜單項(xiàng)選擇“Use Remote Debug Monitor”;

第四步：在Keil開發(fā)環(huán)境中建立項(xiàng)目文件，根據(jù)具體仿真內(nèi)容編寫單片機(jī)程序代碼;

第五步：設(shè)置Keil開發(fā)環(huán)境下的項(xiàng)目文件的“Target”選項(xiàng)，選擇“Debug”方式為“Proteus VSM Simulator”。

第六步：在Keil開發(fā)環(huán)境下編譯項(xiàng)目文件，運(yùn)行單片機(jī)程序。然后在Proteus環(huán)境中觀測運(yùn)行結(jié)果，若結(jié)果有誤可返回Keil環(huán)境中修改單片機(jī)程序，直至運(yùn)行結(jié)果正確為止。

在軟件調(diào)試過程中，也可以在Keil環(huán)境中設(shè)置斷點(diǎn)、程序運(yùn)行到指定程序段等方式來查看系統(tǒng)部分運(yùn)行結(jié)果或中間結(jié)果，如單片機(jī)內(nèi)部寄存器、內(nèi)存單元等其中的內(nèi)容。

3.應(yīng)用實(shí)例

下面以單片機(jī)AT89C51控制4位7段數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示為例，介紹Proteus與Keil在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

（1）Proteus環(huán)境下的硬件電路設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)例硬件電路在Proteus軟件環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的原理與要求，4位7段數(shù)碼管（共陽極）的段選信號由單片機(jī)的P3控制，位選信號由單片機(jī)的P1.4～P1.7來控制，位選信號控制PNP型三極管的導(dǎo)通與截止，從而提供或停止提供灌電流，即選擇數(shù)據(jù)碼是否點(diǎn)亮。應(yīng)用實(shí)例的具體硬件電路如圖1所示。

（2）Keil環(huán)境下的軟件編程與調(diào)試。軟件編程實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示功能，在Keil項(xiàng)目文件中可新建ASM文件或C文件，在文件中編寫相應(yīng)語言的程序代碼。圖2給出該實(shí)例的程序流程，顯示內(nèi)容為“25.78”。

軟件編寫完成后，按照之前的步驟，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件仿真，仿真運(yùn)行結(jié)果見圖1中的數(shù)碼管顯示。在程序調(diào)試的過程中，逐步增加延時(shí)程序的延時(shí)時(shí)間，可以了解到數(shù)碼動態(tài)掃描顯示的全過程。隨著延時(shí)時(shí)間的增加，數(shù)碼管從閃爍顯示到按位輪流顯示，這樣可以幫助學(xué)生感性地來認(rèn)識動態(tài)掃描顯示的原理與過程，從而使學(xué)生牢牢地掌握這一知識點(diǎn)。

三、結(jié)束語

Proteus和Keil軟件相結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件成本，又縮短了學(xué)生學(xué)習(xí)和開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的周期，仿真平臺的直觀運(yùn)行效果可以使學(xué)生更好地理解和掌握單片機(jī)課程內(nèi)容及相關(guān)理論知識，該技術(shù)在單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識的能力，有助于電子信息類專業(yè)人才的培養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）