基于Proteus的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革研究

王君瑞

摘 要 微機(jī)原理與接口技術(shù)課程是普通高等學(xué)校電類相關(guān)專業(yè)一門理論和實(shí)踐并重的課程。在教學(xué)過程中不僅要注重學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且要注意加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提高。針對(duì)該課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)只注重理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)偏重驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的問題，利用Proteus軟件對(duì)課程的各個(gè)相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐情況表明：將Proteus軟件引入微機(jī)原理與接口技術(shù)課程各教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞 微機(jī)原理與接口技術(shù)；Proteus；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）14-0120-03

Based on Proteus Sensor and Detection Technology Course Tea-ching Reform Research//WANG Junrui

Abstract Microcomputer Principle and Interface Technology Course

is a theoretical and practical course for electricity related majors of

general colleges and universities. In the process of teaching， we should not only should pay attention to the study of students theo-

retical knowledge， but also strengthen the cultivation and improve-ment of students practical ability. In the course of traditional class-room teaching only focuses on theoretical teaching， experimental teaching the verification experiment， using Proteus software of

Microcomputer Principle and Interface Technology Course each

relevant teaching design. Teaching practice shows that the applica-tion of Proteus software in teaching， it can not only further stimulate students interest in learning， but also help to develop students com-prehensive analysis and the ability to solve practical problems.

Key words sensor and detection technology； Proteus； experiment teaching； teaching reform

1 引言

隨著時(shí)代及科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高等教育所處的內(nèi)外環(huán)境發(fā)生巨大變化，社會(huì)進(jìn)步對(duì)于人才素質(zhì)的培養(yǎng)要求日漸多樣化，改革傳統(tǒng)的教育模式成為時(shí)代的呼喚。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程是普通高等學(xué)校電類相關(guān)專業(yè)學(xué)生一門理論和實(shí)踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)、DSP、ARM等課程奠定了必備基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)后續(xù)課程的重要前提[1-2]。該課程是一門理論和實(shí)踐同等重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過課程教學(xué)，一方面主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知能力，另一方面在認(rèn)知基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的能力。由于課程涉及微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軟硬件設(shè)計(jì)，包含的內(nèi)容多，概念抽象，學(xué)生不好理解，因此感到學(xué)習(xí)起來比較困難。

另外，作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，微機(jī)原理與接口技術(shù)課程一般針對(duì)大學(xué)二年級(jí)學(xué)生開設(shè)。由于大部分學(xué)生是初次接觸計(jì)算機(jī)硬件的知識(shí)，從而缺乏感性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程中更加困難。在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，通過板書和PPT顯示硬件電路，結(jié)合硬件電路進(jìn)行講述[3]。但這種方式下顯示的電路是靜態(tài)的，學(xué)生只能通過教師的講述來理解電路，往往導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效率低。課后作業(yè)以書面題目為主，使得大學(xué)課程學(xué)習(xí)變?yōu)椤昂蟾咧袝r(shí)代”。

在實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常采用固定實(shí)驗(yàn)箱和匯編集成開發(fā)環(huán)境模式，學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書去連接導(dǎo)線、編寫程序，進(jìn)而觀察結(jié)果[3]。但這種模式電路結(jié)構(gòu)固定，程序代碼模式化，缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的訓(xùn)練，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)實(shí)踐表明，在課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對(duì)微機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)存編址與擴(kuò)展，I/O編址、多種工作方式及I/O接口芯片與CPU的連接等內(nèi)容感覺學(xué)習(xí)困難[4-5]。

基于微機(jī)原理與接口技術(shù)課程課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將仿真軟件Proteus引入該課程教學(xué)中，課程中不再僅僅是完全理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而是通過“課前布置相關(guān)Proteus項(xiàng)目→課堂對(duì)項(xiàng)目重點(diǎn)引導(dǎo)→課下指導(dǎo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)→課終由項(xiàng)目設(shè)計(jì)和考試綜合考評(píng)”的教學(xué)過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。通過項(xiàng)目實(shí)施，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力及綜合分析解決問題的能力，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)中的諸多不足。

2 Proteus仿真軟件的特點(diǎn)及應(yīng)用

Proteus仿真軟件的特點(diǎn) Proteus是1989年開發(fā)的一款工具軟件，該軟件可設(shè)計(jì)仿真電子電路和單片機(jī)系統(tǒng)，并支持在原理圖的虛擬原型上進(jìn)行編程調(diào)試及功能驗(yàn)證。2009年上半年，Proteus軟件推出支持8086的平臺(tái)，該平臺(tái)可支持微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中的可編程接口芯片，如可編程并行接口芯片8255A、中斷控制器8259A、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809

等I/O接口芯片。它不僅支持對(duì)8086、單片機(jī)等微處理器進(jìn)行仿真，而且支持對(duì)相關(guān)外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。

將Proteus引入課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué) 微機(jī)原理與接口技術(shù)的內(nèi)容包括微機(jī)系統(tǒng)工作原理、匯編語言、微機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)存編址與擴(kuò)展，I/O編址、控制方式及I/O接口芯片與CPU的連接等，其中用到的可編程I/O接口芯片包括8259A、8255A、DAC0832、8253、ADC0809以及可編程串行接口芯片8251A等。這些I/O接口芯片的引腳數(shù)目多，存在多種工作方式。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往缺乏感性認(rèn)識(shí)，造成理解困難。Proteus軟件支持8086CPU及外部可編程I/O接口芯片，支持利用匯編語言、C語言及混合語言進(jìn)行編程。把Proteus軟件引入微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)中，可使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容兼具理性和感性認(rèn)識(shí)，深化理解課程內(nèi)容。

另外，Proteus軟件可提供虛擬的輸入輸出器件或設(shè)備，如開關(guān)、按鈕、鍵盤、發(fā)光二極管、數(shù)碼管及LCD顯示等，直觀實(shí)現(xiàn)信息的輸入輸出交互。在課堂教學(xué)中，如講述中斷控制器8259A時(shí)，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握如何設(shè)置8259A的工作方式，如何進(jìn)行初始化編程及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式通常采用PPT結(jié)合板書，首先講述8259A

的工作狀態(tài)和操作方式；然后給出如何進(jìn)行初始化命令字的順序?qū)懭耄绾卧O(shè)置操作控制字；最后舉例，促進(jìn)學(xué)生理解這些設(shè)置方法。但通過PPT和板書給出的例子，學(xué)生聽起來比較抽象、枯燥。這種情況下，借助Proteus軟件，可以一邊講述，一邊由Proteus軟件演示8259A的工作方式如何進(jìn)行設(shè)置，如何初始化編程以及最終實(shí)現(xiàn)效果如何，這樣使得舉例變得生動(dòng)形象化，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容有更直觀、更清晰的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大部分普通高等學(xué)校都采用微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)箱來完成，通常實(shí)驗(yàn)教學(xué)多數(shù)設(shè)置驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生一般是照著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，接接線，敲敲程序代碼。實(shí)驗(yàn)完成后，系統(tǒng)、芯片的工作原理是怎樣的，程序?yàn)槭裁匆@樣編寫，學(xué)生的認(rèn)識(shí)是很模糊的。將Proteus軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以借助Proteus所提供的元器件和外設(shè)模型，選擇CPU、各種可編程外圍I/O接口芯片及外設(shè)，選擇符合教學(xué)、符合實(shí)驗(yàn)室條件、符合學(xué)生水平的課題，進(jìn)行原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

利用Proteus設(shè)計(jì)改進(jìn)課程的考核方式 傳統(tǒng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)科目考試通常是通過期末考試來考查，由試卷成績來決定學(xué)生是否通過該課程的學(xué)習(xí)。某些學(xué)生為應(yīng)對(duì)考試，不是把精力放在課程內(nèi)容的理解上，而是僅僅憑借考前突擊記憶背誦就可以取得高分。另外，采用一卷考核，考核內(nèi)容不可能包括微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)中的全部內(nèi)容，這必然會(huì)造成考核結(jié)果存在偶然性，不能有效、真實(shí)地考核學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程中對(duì)相關(guān)知識(shí)和技能的掌握程度。因此，利用Proteus仿真改進(jìn)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的考核方式，采用“試卷成績+Proteus仿真設(shè)計(jì)+實(shí)驗(yàn)成績”累加式考核方式，真正有效地加強(qiáng)學(xué)生綜合分析和解決問題能力的培養(yǎng)。

3 Proteus仿真在教學(xué)的實(shí)踐舉例

下面以基于Proteus軟件的8086CPU和中斷控制器8259A

的接口擴(kuò)展電路仿真為例，具體闡述在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)中應(yīng)用Proteus軟件的方法。

課題：按鍵觸發(fā)中斷，控制基本I/O驅(qū)動(dòng)LED循環(huán)點(diǎn)亮 在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中講述可編程中斷控制器8259A內(nèi)容時(shí)，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握8259A的工作方式設(shè)置、初始化編程及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。8259A編程包含兩個(gè)部分：

第一部分為初始化編程，在中斷系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行之前，通過設(shè)置初始化命令字來預(yù)置工作方式；

第二部分為工作方式編程，通過對(duì)8259A寫操作命令字來實(shí)現(xiàn)8259A運(yùn)行中的操作控制。

當(dāng)按照一定的順序?qū)?259A寫入初始化命令字后，為了在系統(tǒng)運(yùn)行中能夠?qū)?259A管理中斷的方式進(jìn)行修改和設(shè)定，可寫入操作控制字。使用Proteus軟件，演示8259A的工作方式如何進(jìn)行設(shè)置，如何初始化編程，形象演示實(shí)際效果。本課題設(shè)置中斷控制器8259A的IR0為60H中斷，通過按鍵觸發(fā)中斷，利用基本I/O驅(qū)動(dòng)LED燈亮滅。

實(shí)驗(yàn)方法 為了達(dá)到上述要求，可設(shè)計(jì)某PC系列微機(jī)系統(tǒng)使用8259A作為接口，在Proteus軟件中繪制該中斷應(yīng)用的硬件原理圖，需要的元件包括8086CPU、可編程中斷控制器8259A、三態(tài)輸出的地址鎖存器74LS373、八D型觸發(fā)器74273、按鈕、LED發(fā)光管。圖1為該中斷應(yīng)用的硬件原理圖，其中觸發(fā)器74273的輸出完成8259A和基本I/O電路的芯片尋址和端口操作。

程序設(shè)計(jì) Proteus軟件本身并沒有提供8086編譯器，其通過添加外部代碼編譯器，本課題利用EMU8086軟件進(jìn)行程序的編寫和編譯。首先新建工程，加入編寫好的源代碼；其次編譯并生成可執(zhí)行的COM或EXE格式的程序文件。程序流程如圖2所示。

利用編譯軟件建立工程，編寫源程序，編譯生成COM或

EXE文件后，在Proteus軟件原理圖界面雙擊8086CPU，把生成的COM或EXE文件路徑添加到8086CPU。點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，可觀察到相應(yīng)的LED燈的亮滅狀態(tài)，確定是否符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

將Proteus軟件引入微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)各環(huán)節(jié)，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)微機(jī)原理與接口技術(shù)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多不足。采用Proteus軟件，在一定程度上擺脫了微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)中依賴傳統(tǒng)硬件條件的局限性。學(xué)生可以利用該軟件練習(xí)或設(shè)計(jì)微機(jī)系統(tǒng)的接口實(shí)驗(yàn)，從硬件電路選型設(shè)計(jì)、程序代碼編寫到仿真結(jié)果觀察，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又增強(qiáng)了學(xué)生綜合分析解決問題的能力。今后還需繼續(xù)探索，不斷優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)改革，增強(qiáng)教學(xué)效果。

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