基于云計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享

李光飛++樓然苗++任文軒

摘要：在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，在云服務(wù)器上安裝proteus虛擬仿真軟件， 可構(gòu)建虛擬單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，極大地方便師生利用云終端進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序及設(shè)計(jì)效果仿真演示，實(shí)現(xiàn)低成本、安全、高效的單片機(jī)硬件及源程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：云服務(wù)器；虛擬仿真；單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）10-0014-03

單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用Proteus軟件搭建出單片機(jī)硬件電路并進(jìn)行程序代碼的編寫(xiě)與仿真運(yùn)行調(diào)試，可以直接在電腦上觀察程序的運(yùn)行效果，分析硬件電路設(shè)計(jì)的合理性、正確性，老師或?qū)W生可以在教室、實(shí)驗(yàn)室、寢室以及家里，方便地利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了硬件電路虛擬化、數(shù)字化，大大地拓展了單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空范圍[1-6]。

1 單片機(jī)設(shè)計(jì)仿真軟件

Proteus是一款功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化仿真軟件，從原理圖布圖設(shè)計(jì)、程序代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同運(yùn)行仿真，最后輕松轉(zhuǎn)換到PCB電路板設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從抽象概念到真實(shí)產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)實(shí)踐。它是目前國(guó)際上唯一一款將電路仿真軟件、PCB電路板設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。Proteus的原理圖設(shè)計(jì)可模擬仿真單片機(jī)、模擬電路、數(shù)字電路的混合仿真和PCB設(shè)計(jì)。Proteus軟件可對(duì)模擬電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、電路分析實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，也可對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。其支持的嵌入式處理器有51系列、PIC、AVR等，另外其元件庫(kù)中還提供了大量的LED七段顯示器模塊、8*8LED點(diǎn)陣模塊、點(diǎn)陣LCD模塊、字符LCD模塊，以及直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、按鍵、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、數(shù)字測(cè)溫傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、DA轉(zhuǎn)換芯片、示波器、電壓表、電流表等單片機(jī)外圍接口需要的電路部件及測(cè)試儀器。Proteus軟件的編譯器不僅支持單片機(jī)匯編語(yǔ)言的編輯/編譯/源碼級(jí)仿真，面且也支持Keil_C等多種編譯器，可進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的源碼級(jí)調(diào)試和仿真，Proteus虛擬仿真軟件是高校開(kāi)設(shè)大規(guī)模單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最佳選擇。

2 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的配置

單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用Proteus網(wǎng)絡(luò)版軟件，安裝在云管理服務(wù)器（Think Server RD630）上，云平臺(tái)管理軟件采用IBM Service Delivery Manager7.2。實(shí)驗(yàn)用PC機(jī)采用聯(lián)想視訊云終端 LVCC V80。LVCC（Lenovo Virtual Cloud Client Solution）是由聯(lián)想自主研發(fā)的端到端的虛擬云計(jì)算解決方案之一，通過(guò)統(tǒng)一對(duì)桌面系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理、集中存儲(chǔ)、集中計(jì)算，最后向云終端用戶(hù)提供Windows虛擬桌面及應(yīng)用等云計(jì)算服務(wù)。在高校教室、實(shí)驗(yàn)室、寢室等場(chǎng)合應(yīng)用具有高安全、易管理、高效率、高性能、綠色節(jié)能等特點(diǎn)。可使用WEB界面輕松完成服務(wù)器管理、終端管理、用戶(hù)管理、安全權(quán)限管理四個(gè)模塊的遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。對(duì)200個(gè)終端和5臺(tái)服務(wù)器的系統(tǒng)部署僅需要2個(gè)小時(shí)。系統(tǒng)管理軟件由云中心統(tǒng)一部署，可節(jié)省90%的操作系統(tǒng)補(bǔ)丁、應(yīng)用安裝、安全管理等時(shí)間。云終端系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)易，登錄桌面時(shí)間短，一般在10秒左右即可啟動(dòng)好虛擬桌面，具有良好的Windows7用戶(hù)體驗(yàn)，使用者只要一個(gè)密碼，在任何一臺(tái)云終端登錄，就可享用自己的桌面應(yīng)用，圖1為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)云服務(wù)計(jì)算管理的架構(gòu)。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的硬件電路圖及參考實(shí)驗(yàn)程序，有LED小燈實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、定時(shí)器中斷實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、串行口通信實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、按鍵接口實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、8位共陽(yáng)數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、LCD液晶顯示器實(shí)驗(yàn)電路與C程序、彩燈控制器實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、單片機(jī)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、數(shù)字溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、低頻信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序、16點(diǎn)陣LED顯示器實(shí)驗(yàn)電路及C程序、電子密碼鎖實(shí)驗(yàn)電路及匯編程序與C程序等。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密聯(lián)系單片機(jī)教學(xué)中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，具有學(xué)習(xí)、思考、實(shí)踐、領(lǐng)會(huì)、提高的作用。

2.3 單片機(jī)硬件電路庫(kù)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路可以利用Proteus提供的大量元件庫(kù)，有選擇地進(jìn)行器件選取與電路連接，圖2是進(jìn)行單片機(jī)LED小燈驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)布線(xiàn)成的仿真電路，在電路圖控制軟件上下載單片機(jī)源程序的二進(jìn)制代碼就可運(yùn)行程序控制的效果，圖中是P1.2端口的LED小燈點(diǎn)亮?xí)r的虛擬仿真電路與運(yùn)行效果圖。

圖3是用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片制作的單片機(jī)LED時(shí)鐘電路虛擬仿真電路與運(yùn)行效果圖。

圖4 是單片機(jī)萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)電路與運(yùn)行效果圖。

圖5是單片機(jī)低頻信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真電路與運(yùn)行效果圖。

圖6是單片機(jī)16點(diǎn)陣LED顯示器圖文顯示實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真電路與運(yùn)行效果圖。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)大大地提高了實(shí)驗(yàn)室的教育投資效益，節(jié)省了大量?jī)x器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)費(fèi)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不涉及到器件折舊，能夠通過(guò)軟件升級(jí)保持實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性，可開(kāi)設(shè)置驗(yàn)證型、綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以多次重復(fù)、多人共享，克服了由于實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和材料在品種、規(guī)格、數(shù)量上的限制。

（2）單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了一個(gè)直觀感受，通過(guò)單片機(jī)、電路元件、顯示器、按鍵、程序，把抽象的系統(tǒng)圖紙化、具體化、真實(shí)化，帶給師生真實(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)象效果，幫助學(xué)生發(fā)散思維，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

（3）單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可準(zhǔn)備較多的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源，實(shí)驗(yàn)電路可重復(fù)修改，準(zhǔn)對(duì)不同學(xué)生可根據(jù)能力大小、興趣需要，自由搭建電路及編程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維與能力。

（4）單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可避免因?qū)W生沒(méi)有按照正常電路接法、操作方法不對(duì)而帶來(lái)的電路燒毀、元件炸裂等危險(xiǎn)情況，保障了師生和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全。

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