單片機應(yīng)用仿真促進核心能力培養(yǎng)

徐春燕 汪 媛/武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動化系

單片機應(yīng)用仿真促進核心能力培養(yǎng)

徐春燕 汪 媛/武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動化系

本文首先介紹了Proteus 與Keil仿真軟件的特點，然后以“矩陣式鍵盤控制數(shù)碼管顯示設(shè)計”為例介紹如何在Proteus與Keil軟件中構(gòu)建虛擬平臺進行硬件電路和軟件代碼的仿真設(shè)計與調(diào)試，最后介紹單片機課程教學(xué)中如何引導(dǎo)并推進學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用Proteus與Keil仿真調(diào)試，從而激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，促進了課程培養(yǎng)目標(biāo)以及專業(yè)核心能力的達成。

虛擬平臺；仿真調(diào)試；培養(yǎng)目標(biāo)；核心能力

一、引言

單片機課程是電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)一門重要的技術(shù)類課，具有抽象、邏輯性強、實踐性強的特點，學(xué)生要掌握好單片機原理及接口應(yīng)用技術(shù)，具備小系統(tǒng)開發(fā)能力，一定需要進行硬件設(shè)計和軟件編程，并且需要進行硬件和軟件調(diào)試，以調(diào)試結(jié)果來論證硬件方案和軟件程序的可行性與否。以武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)為例的實際情況為：（1）單片機實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)有：實驗課、課外實踐作業(yè)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計；（2）目前單片機實驗室硬件實訓(xùn)教學(xué)平臺為40套（我專業(yè)學(xué)生規(guī)模為：2012級學(xué)生為9個自然班、2013級學(xué)生均為9個自然班，2014級學(xué)生有8個自然班）；（3）學(xué)生個人配備單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)需200元人民幣左右；（4）④硬件設(shè)備跟新?lián)Q代以及元器件故障率會導(dǎo)致資金投入大；（5）⑤硬件設(shè)計方案變更會導(dǎo)致項目周期延長以及硬件投入增大等。

基于以上問題，課程組圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，以專業(yè)核心能力三（核心能力三：以PLC、單片機為核心的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計、應(yīng)用及維護能力）為導(dǎo)向，積極進行教學(xué)研究與探索，在單片機教學(xué)中引導(dǎo)并推進學(xué)生學(xué)用Proteus 與Keil仿真軟件整合構(gòu)建單片機虛擬實訓(xùn)室，進而在虛擬平臺上開展硬件和軟件仿真調(diào)試工作。

二、Proteus 與Keil軟件介紹

（一） Proteus 軟件介紹

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路仿真軟件，Proteus軟件提供了 3O 多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。該軟件的仿真功能和調(diào)試程序的功能很強大。其特點有：（1）用戶可以實時采用 RAM，ROM，LED，LCD，鍵盤，A D/D A,部分SPI、I2C等資源；（2）可仿真5l系列、ARM、PIC、AVR等常用主流單片機；（3）可以直接在繪制的原理圖上，配合虛擬示波器、信號發(fā)生器、電流表、電壓表等器件，結(jié)合程序運行后看到輸入輸出的效果 。此外，Proteus還具備以下功能：（1）原理布圖功能；（2）SPICE 電路仿真功能：（3）PCB自動或人工布線功能。

（二） Keil軟件介紹

K eil軟件是目前最流行的單片機C語言開發(fā)軟件，Keil軟件中能新建工程項目、編寫C語言程序、編譯及調(diào)試程序，有存儲器和變量觀察窗口等。Keil uVision4就是一款功能強大的51單片機C語言開發(fā)利器，其開發(fā)的程序無論是在功能上還是在可讀上都比C語言具有明顯的優(yōu)勢，而且易用易學(xué)，支持C編程+匯編編程混合編程，內(nèi)置豐富的函數(shù)庫。

三、虛擬實訓(xùn)平臺構(gòu)建

單片機控制系統(tǒng)是軟、硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)，我們引導(dǎo)學(xué)生在電腦上學(xué)習(xí)Proteus和Keil仿真軟件，利用仿真優(yōu)勢，構(gòu)建一個適合“教、學(xué)、做”一體化的單片機虛擬實訓(xùn)平臺，下面以“矩陣式鍵盤控制數(shù)碼管顯示設(shè)計”課題為例講解虛擬實訓(xùn)平臺的構(gòu)建。

（一）硬件電路的設(shè)計、制作

第一步，運行 Proteus 的ISIS 程序后，即進入該仿真軟件的主界面，如圖1所示 ；第二步，通過主界面左下方P/L/DEVICES選項 ，選擇并放置所需元器件并調(diào)整其相對位置，如圖2所示；第三步，對元器件進行參數(shù)設(shè)置，并依據(jù)硬件設(shè)計方案完成元器件間連線，即完成硬件電路圖設(shè)計，如圖3所示，之后，保存該文件（.DSN）。

圖1 Proteus仿真軟件主界面

圖2 選擇并放置所需元器件

圖3 設(shè)計的硬件電路圖

（二）程序代碼（軟件）的編寫與調(diào)試

打開Keil uVision軟件，第一步，依次完成“建立工程項目、選擇仿真單片機、編寫單片機C語言程序，添加文件到源代碼組，配置閃存工具、創(chuàng)建目標(biāo)文件、編譯當(dāng)前文件”等工作，若編譯結(jié)果顯示“0個錯誤0個警告”，如圖4所示，則說明所編寫的軟件代碼沒有語法錯誤，可進行第二步，反之，則需根據(jù)提示查找并解決軟件代碼語法問題（或Keil uVision軟件設(shè)置類問題）；第二步，對軟件代碼進行功能調(diào)試，對應(yīng)的重要功能菜單分別是“調(diào)試”和“視圖”，調(diào)試模式可以選擇的有“連續(xù)運行、步進、步越、運行到光標(biāo)處、斷點運行”等多種，調(diào)試過程中，為了跟蹤變量或觀察存儲器內(nèi)容的變化，可以打開“監(jiān)視和調(diào)用堆棧窗口”和“存儲器窗口”進行數(shù)據(jù)觀察，如圖5所示，根據(jù)觀察情況，做軟件代碼的修改或完善工作，完成軟件代碼所要達到的功能后，對應(yīng)生成.HEX文件并保存。

圖4 軟件語法調(diào)試通過

圖5 軟件功能調(diào)試觀察窗口

（三）硬件和軟件聯(lián)合調(diào)試

第一步，在ISIS軟件中打開之前保存的.DSN文件；第二步，打開菜單“源代碼-添加源代碼”，然后找到.HEX文件添加后點擊“確定”，如圖6所示；第三步，打開“調(diào)試”菜單，選擇“開始仿真”，仿真調(diào)試有多種模式可以選擇，若聯(lián)合調(diào)試成功，即可直觀看到課題要到達的效果，如圖7所示為仿真調(diào)試成功效果。

圖6 硬件電路CPU中添加源代碼

圖7 仿真調(diào)試成功效果

四、單片機仿真的引導(dǎo)與實踐

課程組在單片機課程教學(xué)中引導(dǎo)并推進學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用Proteus與Keil兩款軟件的步驟如下：

第一步，教師在課堂教學(xué)中介紹 Proteus 與Keil兩款軟件的特點，讓學(xué)生建立它們可以幫助大家學(xué)好學(xué)通單片機課程的概念，同時在課堂教學(xué)中把Proteus 與Keil仿真設(shè)計案例演示給學(xué)生看，仿真設(shè)計案例演示使單片機控制應(yīng)用變得直觀和生動，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣。

第二步，推進所有學(xué)生自主學(xué)習(xí)并熟練掌握Proteus 與Keil兩款仿真軟件的用法及聯(lián)合調(diào)試方法。具體實施細節(jié)為：（1）布置檢測測試題。要求學(xué)生4人左右自行分組交流討論學(xué)習(xí)，3周后進行驗收。檢測測試題為教材P90中例【5-1】：設(shè)計一電路，監(jiān)視某開關(guān)K，用發(fā)光二極管LED顯示開關(guān)狀態(tài)，如果開關(guān)合上，LED亮；開關(guān)打開，LED熄滅。圖8和圖9均為教材例題中已經(jīng)給出的硬件電路設(shè)計圖和軟件代碼；（2）抽查考核。3周后檢查學(xué)生測試題仿真作業(yè)完成情況。學(xué)生只要是認真完成了該例題的仿真調(diào)試，就可說明初步掌握了Proteus 與Keil兩款仿真軟件的基本用法及聯(lián)合調(diào)試方法,因為測試題是例題，均已給出了硬件設(shè)計方案和軟件代碼，所以完成測試題的工作主要是學(xué)習(xí)與掌握這兩款仿真軟件的基本用法及聯(lián)合調(diào)試方法。為了更好的了解學(xué)生掌握該軟件的基本用法及調(diào)試方法情況，教師利用課外時間抽查2/3學(xué)生進行考核（如硬件中元器件的選取、放置、連線、設(shè)置以及軟件中項目工程的建立、語法調(diào)試和功能調(diào)試方法等等），考核成績重比例計入平時成績；（3）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)課。在學(xué)生能用 Proteus 與Keil完成仿真測試題后，單片機教學(xué)中布置的所有課后作業(yè)均要求學(xué)生進行仿真調(diào)試，并將調(diào)試成功后的作業(yè)發(fā)送給任課教師檢查。學(xué)生在完成這些仿真作業(yè)的過程中會碰到較多問題，他們會以與同學(xué)交流、查資料、網(wǎng)上求助等多種方式解決，當(dāng)然學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異會導(dǎo)致仿真作業(yè)的完成順利與否情況。針對此差異，在仿真作業(yè)完成了3～4道題左右，教師根據(jù)與學(xué)生的交流及他們提交的仿真作業(yè)完成情況，選取并通知了3～5名學(xué)生做好準備講習(xí)題，習(xí)題課時間總共為2節(jié)課，以翻轉(zhuǎn)課堂形式開展。預(yù)先做好準備的學(xué)生需備課充分，從“軟件基本應(yīng)用與調(diào)試方法”、“習(xí)題解題與設(shè)計思路”、“調(diào)試常見問題匯總與解決”等方面為臺下同學(xué)展開講解，教師和臺下同學(xué)均認真聽講，積極思考并向臺上同學(xué)提問。經(jīng)實踐，該措施對“推進大面積學(xué)生掌握Proteus 與Keil的應(yīng)用與調(diào)試方法”取得的效果非常好。

圖8 例5-1硬件電路圖

圖9 例5-1程序

有了第一步和第二步的實踐，學(xué)生掌握了Proteus 與Keil的應(yīng)用與調(diào)試后，可以利用 Proteus 與Keil仿真調(diào)試環(huán)境，來驗證設(shè)計方案的可行性，在仿真調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，覺得有必要時，再搭建實物電路進行調(diào)試，這樣可以減少硬件設(shè)計過程中浪費。

五、結(jié)束語

武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動化12級、13級、14級學(xué)生實踐證明，Proteus與Keil仿真調(diào)試手段的應(yīng)用，使大部分學(xué)生對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)有一個完整性的認識和掌握，對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在課題拓展、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電賽實訓(xùn)等環(huán)節(jié)中用仿真調(diào)試縮短了開發(fā)周期、減少了元器件的損耗，尤其在硬件平臺不夠或硬件投入跟不上的情況下、該仿真調(diào)試手段促進了課程培養(yǎng)目標(biāo)以及專業(yè)核心能力的達成。當(dāng)然，軟件仿真并不能達到與實際硬件完全一致的情況，也不考慮實際應(yīng)用中存在元器件參數(shù)的分散性、誤差和干擾等現(xiàn)象，這需要學(xué)生在實物試驗中去進一步體會和掌握。

[1]李群芳，肖看，張士軍.單片機微型計算機與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]徐愛鈞.單片機原理與應(yīng)用：基于Proteus虛擬仿真技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]劉 丹.Protues與K eil聯(lián)合仿真在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊.2013.(8):120-121.

[4]趙巧妮.Proteus在單片機仿真中的應(yīng)用[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用 ，2009 (6 ) ：113 一 l14．

徐春燕：1978年出生、女、漢族、湖北鄂州、武昌首義學(xué)院、副教授、研究生。

汪媛： 1982年出生、女、漢族、湖北武漢、武昌首義學(xué)院、講師、研究生。