Proteus仿真在微機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用

魏紅彥，裴小娜

(1.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000;2.廊坊市模式識(shí)別與機(jī)器智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065000)

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Proteus仿真在微機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用

魏紅彥1，裴小娜2

(1.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000;2.廊坊市模式識(shí)別與機(jī)器智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065000)

為深入理解微機(jī)原理課程，提出利用仿真軟件Proteus作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，隨時(shí)隨地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、模擬仿真。同時(shí)將微處理器8086與可編程并行接口芯片8255A組成電路作為仿真實(shí)例，具體闡述Proteus軟件在微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明，把Proteus應(yīng)用到微機(jī)原理課程教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，深化學(xué)生對(duì)于微機(jī)原理課程的理解，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)還為后續(xù)課程提供了理論基礎(chǔ)。

微機(jī)原理；Proteus；仿真教學(xué)；8255A

0 引言

“微機(jī)原理及接口技術(shù)"，是電子信息、電氣控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)電等專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。課程中涵蓋的理論知識(shí)信息量很大，內(nèi)容比較抽象。應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行授課存在一些弊端：第一，傳統(tǒng)教學(xué)以理論講授為主，再通過(guò)有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行演示輔助教學(xué)，所以學(xué)生有時(shí)感到知識(shí)點(diǎn)難理解，很難吸引學(xué)生的注意力；第二，目前學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大部分只能做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還受到設(shè)備固有模式限制，這就限制了學(xué)生自主性設(shè)計(jì)和發(fā)揮；第三，學(xué)校實(shí)驗(yàn)箱的價(jià)格比較昂貴，實(shí)驗(yàn)中用到的接口芯片，不易保管，且容易損壞；最后，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只能在學(xué)校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室完成，如果學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了加深對(duì)理論知識(shí)的理解，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中引入了仿真軟件Proteus，這種軟件包含了當(dāng)前最為完整、最先進(jìn)的微型控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理電路和仿真平臺(tái)的模塊[1]。在教學(xué)當(dāng)中引入這一仿真軟件，可直接建立學(xué)生的直觀仿真思維，并通過(guò)這種仿真軟件更直觀、形象地講解微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征，在教學(xué)中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)起到很大的幫助作用。

1 Proteus軟件簡(jiǎn)介

Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的用于電路分析與實(shí)物仿真及印制電路板設(shè)計(jì)的軟件，它包含ISIS和ARES兩個(gè)軟件包[2]。ISIS是SPICE電路原理圖設(shè)計(jì)與模擬仿真軟件，ISIS支持大量的存儲(chǔ)器和外圍接口芯片，Proteus提供了30多個(gè)元件庫(kù)，數(shù)千種元件，可以仿真絕大部分的電路設(shè)計(jì)圖。ARES是布線設(shè)計(jì)軟件包，它具有32位數(shù)據(jù)庫(kù)、元件自動(dòng)布置、撤消和重試的自動(dòng)布線功能，超強(qiáng)性能的PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)，同時(shí)ARES也支持手動(dòng)布線，系統(tǒng)限制相對(duì)較少。Proteus可以仿真和分析各種模擬電路與集成電路、微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)及外部設(shè)備，提供了多種虛擬儀器，包括交直流電壓表、交直流電流表、示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)定時(shí)器、虛擬終端機(jī)、信號(hào)發(fā)生器等，同時(shí)Proteus VSM支持8086CPU系統(tǒng)，能夠完整仿真基本的I/O口、中斷控制器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、并行接口芯片、串行接口芯片以及通用外設(shè)接口芯片與CPU相連接的情況[3]。該軟件也支持全部的8086CPU 指令系統(tǒng)和寄存器，支持8086CPU所有總線、內(nèi)存和其他I/O引腳的操作，而且Proteus仿真系統(tǒng)還包含強(qiáng)大的調(diào)試工具包，可對(duì)寄存器、存儲(chǔ)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)程序分析具有斷點(diǎn)調(diào)試及單步調(diào)試的功能，具有對(duì)顯示器、按鈕、鍵盤等外設(shè)進(jìn)行交互可視化的仿真[4]。Proteus軟件可以直接支持匯編語(yǔ)言編譯器，相當(dāng)于一個(gè)全開(kāi)放性的設(shè)備齊全的綜合性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)它還支持第三方程序開(kāi)發(fā)軟件的編譯器，比如最常用的編譯和調(diào)試環(huán)境Keil uVision3、MPLAB[5]。通過(guò)把Proteus軟件引入8086微機(jī)原理接口技術(shù)教學(xué)，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)演示，教學(xué)方法直觀，使學(xué)生觀察到內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器以及相應(yīng)的接口芯片的變化，深化對(duì)課程內(nèi)容的理解。

2 Proteus軟件仿真8086微機(jī)系統(tǒng)實(shí)例

下面以Proteus仿真的微處理器8086CPU與定時(shí)/計(jì)數(shù)器8255A組成的擴(kuò)展電路為實(shí)例，說(shuō)明Proteus軟件仿真在“微機(jī)原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用方法和仿真過(guò)程。

2.1 程序設(shè)計(jì)基本方法

可編程8255A是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用的可編程并行接口芯片，其內(nèi)部有三個(gè)相互獨(dú)立的并行接口，分別稱為PA口，PB口，PC口。8255A有三種工作方式[6]，方式0是基本輸入輸出方式，PA口、PB口、PC口都可以工作在這一方式下；方式1是選通輸入輸出方式，PA口、PB口可以工作在這一方式下；方式2是雙向總線I/O方式，只有PA口可以工作在這一方式下。其中圖1是程序設(shè)計(jì)的工作流程圖。

2.2 Proteus硬件電路設(shè)計(jì)

采用可編程并行接口芯片8255A、8086CPU及相關(guān)的接口芯片組成電路，圖2為硬件仿真電路圖。

(1)8086CPU的時(shí)鐘頻率取1.5MHz。

(2)三個(gè)74LS273鎖存器進(jìn)行輸出地址A19-A0的鎖存。

(4)8255A的PA、PB、PC口均工作在方式0下，PA、PB是輸出口，PC口是輸入口。

(5)8255A的PC口作為獨(dú)立式按鍵的輸入檢測(cè)端口，其中PC0接開(kāi)關(guān)作為輸入，按鍵按下時(shí)PC0=0，按鍵斷開(kāi)時(shí)PC0=1；PA口作8位共陰極管LED的段碼輸出端口， PB口用作8位LED數(shù)碼管的位控碼輸出端口，8位LED初始顯示76543210。

2.3 程序軟件設(shè)計(jì)

程序的編寫和編譯一定要選擇可以支持8086匯編語(yǔ)言的編譯器，這里通過(guò)Masm for Windows集成軟件編寫匯編源程序，然后進(jìn)行編譯、鏈接生成可執(zhí)行的.COM或.EXE格式的可執(zhí)行程序文件，編寫的源程序的主程序如下：

.MODEL SMALL

.8086

.STACK

.CODE

.STARTUP

MOV DX,0206H

MOV AL,81H

OUT DX,AL

AGAIN:CALL DISP

KEY: MOV DX,0204H

IN AL,DX

TEST AL,01H

JNZ AGAIN

CALL DELAY20MS

MOV DX,0204H

IN AL,DX

TEST AL,01H

JNZ AGAIN

KEY-WAIT:CALL DISP

MOV DX,0204H

IN AL,DX

TEST AL,01H

JZ KEY-WAIT

MOV BX,OFFSET SITUATION

MOV SI,OFFSET SITUATION

MOV AL,[SI]

MOV AH,AL

MOV CX,7

TRANS:INC SI

MOV AL,[SI]

MOV [BX],AL

INC BX

LOOP TRANS

MOV [BX],AH

JMP AGAIN

.DATA

SITUATION DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H

END

2.4 仿真電路的調(diào)試程序

8255A的PA、PB口輸出通過(guò)接8位共陰極LED數(shù)碼管，首先雙擊仿真電路中的8086CPU芯片，出現(xiàn)Edit Component，把源文件生成的.EXE文件加載到8086CPU中，下面就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖3中上圖是初始輸出，輸出是76543210，下圖是按一次按鍵，數(shù)碼管的數(shù)字循環(huán)左移一位，輸出是07654321。

通過(guò)Proteus仿真軟件可形象生動(dòng)地演示8255A工作方式設(shè)置、程序編譯和實(shí)現(xiàn)效果，大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，深化學(xué)生對(duì)可編程8255A并行接口芯片的理解，取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)原理實(shí)踐教學(xué)是微機(jī)原理課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力、綜合

運(yùn)用能力的重要手段。本文通過(guò)引入Proteus軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，使學(xué)生充分理解Proteus仿真軟件在課程教學(xué)中的作用，增強(qiáng)學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力，提高了教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)對(duì)教學(xué)過(guò)程起到很好的促進(jìn)作用，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程及其他相關(guān)課程的積極性。

[1] 陳龍，張亞軍.Proteus仿真軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009,26(8):73-75.

[2] 周潤(rùn)景，張麗娜，丁莉．基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[3] 楊增汪，陳斯,戴新宇．基于Proteus的電類綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建[J]．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2010,(15)：116-118.

[4] 吉向東，李新鄂．基于Proteus的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)仿真[J]．信息技術(shù),2010,(2)：36-39，44.

[5] 楊漢生，劉麗，孔鯤鵬.單片機(jī)多機(jī)通信的Proteus仿真設(shè)計(jì)[J]．四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31(4)：82-84，89.

[6] 周荷琴，吳秀清．微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008.

Application of Proteus Simulation in the Teachingof Microcomputer Principle

WEIHong-yan1,PEIXiao-na2

(1.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China;2.LangfangKeyLaboratoryofPatternRecognitionandMachineIntelligence,Langfang065000,China)

In order to understand the theory of microcomputer principle course better, we put forward using Proteus as the auxiliary method in the experiment teaching. Using this software we can do circuit design and simulating experiment anyplace and anytime. Meanwhile, using microprocessor 8086 and programmable parallel interface chip 8255A circuit simulation as an example, the application of Proteus software in microcomputer principle experimental teaching can be described in detail. The simulation results show that the application of Proteus in microcomputer principle course can realize better combination between the theoretical teaching and practical teaching, deepen students' understanding of microcomputer principle course, improve teaching effect, improve teaching quality, and provide a theoretical foundation for the follow-up courses.

microcomputer principle; Proteus; simulation teaching; 8255A

2017-03-30

廊坊師范學(xué)院教學(xué)改革課題一般項(xiàng)目(K2015-18)資助課題

魏紅彥(1981-)，女，碩士,廊坊師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院講師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)和嵌入式系統(tǒng)。

TP368.1

A

1674-3229(2017)02-0112-04