面向研究性學習的單片機虛擬實驗室研究與開發(fā)

董增文，徐健寧，劉國平

（南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330029）

研究性學習是指學生結合課程教學內容，在教師的指導下，選擇研究課題，以類似科學研究的方式，主動發(fā)現(xiàn)問題、獲取知識、應用知識、解決問題的學習過程［1］，是一種“授人以漁”的教學模式，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標［2］，能夠提升學生對課程知識和實驗原理的理解和記憶，增強學習興趣，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力［3］。

“單片機原理與接口技術”作為應用性課程，要進行研究性學習，其實踐環(huán)節(jié)尤其重要。傳統(tǒng)實驗設備的開放性有限，教學大多只能停留在課堂的板書與實驗室的驗證實驗層面上［4］。研究性學習的教學模式應用于該課程時，學生針對千差萬別的實際項目，往往受硬件資源、時間和空間等條件的限制［5］。有時由于經費問題，甚至無法開展硬件實驗，這大大影響了學生進行研究性學習的效率和效果。

虛擬實驗室在實驗教學中具有廣闊的應用前景［6］，通過軟件仿真來進行單片機系統(tǒng)實驗也是比較經濟實用的［7－9］。單片機虛擬實驗室對于引導學生進行研究性學習，提高學生的實際動手能力、綜合設計能力、創(chuàng)新能力具有非常明顯的作用［10］。為此，筆者結合多年教學經驗，聯(lián)合應用VC＋＋和Proteus等軟件，設計研發(fā)了單片機課程虛擬實驗室，以補充和完善傳統(tǒng)實驗教學模式，為研究性學習提供平臺。

1 單片機虛擬實驗室的原理和架構

面向對象的VC＋＋編程功能十分強大，開發(fā)的軟件具有自主版權，工業(yè)現(xiàn)場的上位機監(jiān)控軟件很大一部分是采用VC＋＋開發(fā)的，所以采用VC＋＋開發(fā)虛擬實驗室的仿真效果十分貼近工業(yè)現(xiàn)場的應用。

Keil軟件和Proteus軟件仿真功能強大，不僅能仿真嵌入式系統(tǒng)CPU執(zhí)行程序的情況，還能結合外圍電路，進行整個系統(tǒng)硬件原理圖的仿真，其實驗效果非常接近于實際工程系統(tǒng)［11－13］。

聯(lián)合采用VC＋＋和Proteus等軟件開發(fā)的單片機虛擬實驗室實現(xiàn)原理如圖1所示。其中VC＋＋開發(fā)上位機監(jiān)控軟件，仿真工業(yè)現(xiàn)場的上位機監(jiān)控；Proteus軟件開發(fā)單片機的控制系統(tǒng)原理圖，結合Keil軟件編寫的單片機控制程序，仿真工業(yè)現(xiàn)場單片機（下位機）控制系統(tǒng)的運行；上位機和下位機軟件通過虛擬串口SerialNull連接并交換數(shù)據(jù)。

圖1 單片機虛擬實驗室實現(xiàn)原理

學生進行研究性學習時，根據(jù)掌握知識由淺到深的原則，實驗分成不同的層次，該虛擬實驗室架構上也分為4個層次，依次體現(xiàn)4個實驗模塊。

（1）基礎實驗模塊。此實驗模塊針對單片機課程的一些基本概念及知識點進行設計。比如：對P0口的應用特點、做通用I／O口需要上拉的輸出特性；設計出P0口控制LED的電路。學生在進行研究性學習時，可以自己編程驗證該實驗電路的控制效果。由于能仿真出P0口作為I／O輸出口時接上拉電阻和不接上拉電阻的控制效果的差異，學生能更形象、直觀地理解該知識點，從而在入門階段就對本課程建立興趣。該模塊不但可以讓學生在自己個人電腦上進行驗證實驗，還可以在上課時結合多媒體設備進行課堂演示，做到“實驗進課堂”，提高課堂教學的效果。

（2）綜合實驗模塊。本模塊重點訓練學生對上一模塊中基礎知識點的綜合應用。單片機的重要知識點，如中斷、定時器等對單片機的應用開發(fā)極為重要。綜合實驗模塊以這些重要知識點為目標，以實際應用系統(tǒng)的某部分為對象進行仿真設計。如開關控制蜂鳴器的實驗就綜合了中斷和定時器的使用。學生通過研究性學習后完成此實驗，可以鞏固和提升對知識點的掌握，并得到實際應用的初步訓練。

（3）設計性實驗模塊。設計性實驗的內容都是針對實際生活當中的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的設計涉及單片機課程的大部分知識點，能充分發(fā)揮學生的主觀能動性及創(chuàng)造性，完成之后具有一定的成就感，能得到硬件電路設計和軟件設計方面的訓練。

（4）課程設計模塊。單片機課程設計的任務是設計一套有實際應用的、具有一定復雜程度的單片機控制系統(tǒng)，要求學生手工繪出系統(tǒng)原理圖，并開發(fā)相應的系統(tǒng)控制軟件，學生設計的原理圖及開發(fā)的軟件將在該模塊得到檢驗、修改和調試。

2 單片機虛擬實驗室的實現(xiàn)方法

以直流電機速度監(jiān)控系統(tǒng)為例來說明單片機虛擬實驗室的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)的開發(fā)包括VC＋＋上位機監(jiān)控軟件、Proteus下位機控制系統(tǒng)原理圖設計、keil單片機Demo控制程序開發(fā)、SerialNull上位機和下位機虛擬串口連接和系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

（1）VC＋＋開發(fā)上位機監(jiān)控軟件。本監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機監(jiān)控軟件包括當前轉速顯示、歷史轉速曲線繪制、監(jiān)控數(shù)據(jù)報表顯示、按鈕控制直流電機減速或加速、按鈕保存報表數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)日期和時間的顯示。

實現(xiàn)步驟如下：

第一步，利用 MFC AppWizard［exe］向導建立一個基于對話框的工程。

第二步，在對話框中加入相應控件分別實現(xiàn)上述功能，如采用MSComm控件實現(xiàn)上位機和下位機的串口通信；采用List Control控件實現(xiàn)報表顯示；采用ADO Data控件實現(xiàn)報表數(shù)據(jù)庫存儲；采用Teechart控件實現(xiàn)轉速曲線繪制等。

第三步，對上述控件編寫控制代碼。值得一提的是，在對話框工程初始化函數(shù)中對MSComm控件初始化時，應與虛擬串口連接軟件SerialNull的設定、Proteus中COMPIN虛擬器件的設定、單片機程序中波特率和幀格式的設定相對應。本例中，上位機監(jiān)控軟件采用虛擬串口COM3通信，波特率為9600，幀格式為10位。

故MSComm控件初始化如下：

（2）下位機控制系統(tǒng)設計。首先在Proteus中設計單片機（下位機）控制原理圖，本控制系統(tǒng)中采用電位計控制直流電機轉速。電位計的模擬量值由ADC0808采集，轉速采用2位LED顯示，控制直流電機轉速的PWM波由DAC輸出。與上位機的通信采用COMPIN虛擬串口器件，對應計算機的虛擬串口COM4。該器件集成了電平轉換功能，不需要另接MAX232進行電平轉換，使用方便。

然后采用Keil軟件編寫單片機Demo控制程序，值得注意的是，單片機串口波特率和幀格式的設定要和上位機監(jiān)控軟件的設定相對應。本例中是：

TH1＝0xfd；／／波特率9 600，幀格式10位，方式1，不倍增；

TL1＝0xfd；

TR1＝1；

SCON＝0x50；

PCON＝0x00。

最后將Keil生成的.HEX文件加入到Proteus的控制系統(tǒng)原理圖中。

（3）虛擬串口連接。采用SerialNull軟件實現(xiàn)上位機和下位機的虛擬串口連接，上位機監(jiān)控軟件對應COM3，下位機原理圖COMPIN對應COM4。

（4）上位機和下位機仿真軟件聯(lián)合運行。上位機監(jiān)控軟件和下位機控制系統(tǒng)設計完成后，進行整個系統(tǒng)聯(lián)合運行，并根據(jù)運行結果進一步調試程序和修改原理圖。系統(tǒng)完善后，聯(lián)合仿真運行效果見圖2和圖3。從運行效果看，該系統(tǒng)具有高開放性、高逼真性，可作為學生進行直流電機控制方面的研究性學習平臺。

圖2 VC＋＋上位機監(jiān)控軟件運行結果

3 結束語

為配合學生的研究性學習，必須有相應的實驗平臺。筆者研發(fā)的單片機虛擬實驗室經過近2年的使用表明，其具有高開放性、使用方便、實驗成本低、幾乎無消耗等優(yōu)點，在促進學生進行研究性學習方面效果明顯。

圖3 下位機（單片機）控制系統(tǒng)仿真運行結果

該實驗系統(tǒng)配合多媒體設備，可以很方便地在課堂上邊教學邊演示實驗，豐富了課堂教學的手段，大大促進了教學質量的提高。

（References）

［1］董增文，胡瑢華，劉國平.機電控制器類課程虛擬實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.實驗技術與管理，2011，28（8）：53－56.

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