“單片微型計(jì)算機(jī)”課程的仿真教學(xué)探析

郭杰

一、Proteus和Keil介紹及聯(lián)調(diào)

理論教學(xué)在以往的單片微型計(jì)算機(jī)課程教學(xué)過程中實(shí)施比較多，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)因條件限制開展較少。教師講解軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和單片微型計(jì)算機(jī)的原理等理論知識(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺枯燥、概念抽象，很難領(lǐng)會(huì)和應(yīng)用；開展的大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)也僅僅是驗(yàn)證性的基于單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的簡單實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難掌握單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[1]。此外，有不少學(xué)校通過單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)電路板另外加上硬件電路仿真頭的模式，需要采購大量的定制儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備使用過程中損壞比較嚴(yán)重，維護(hù)工作量很大[2]。Proteus仿真軟件和Keil編譯軟件的出現(xiàn)，很好地解決了這些問題，提供了很好的“單片微型計(jì)算機(jī)”課程的仿真教學(xué)平臺(tái)。

1.軟件簡介

由英國Lab Center Electronics公司設(shè)計(jì)開發(fā)的Proteus仿真軟件是一款高效仿真工具，由ISIS模塊和ARES模塊組成，其中ISIS模塊用于原理圖的編輯和仿真，ARES用于PCB布線編輯[3]。與別的單片微型計(jì)算機(jī)仿真軟件相比， Proteus除了能仿真單片微型計(jì)算機(jī)芯片的工作情況，也可以同時(shí)仿真單片微型計(jì)算機(jī)以外的電路和沒有用到單片微型計(jì)算機(jī)的其他模擬電路、數(shù)字電路的工作情況。該軟件的應(yīng)用能夠進(jìn)行單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的無失真仿真。

Proteus仿真軟件與其他電路設(shè)計(jì)仿真軟件相比最大的差別在于，它的功能是全面的，它有非常強(qiáng)大的元件庫，甚至超過任何其他電路設(shè)計(jì)軟件。就其電路的仿真方面的功能能夠比過Multisim，而且它具有的單片微型計(jì)算機(jī)的仿真功能，Multisim和任何其他仿真軟件是不具備的。另外，Proteus仿真軟件的PCB電路設(shè)計(jì)、制版功能可以和Protel不相上下。其功能之強(qiáng)大，絲毫不亞于Protel，是眾多電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者使用得心應(yīng)手的工具軟件。

由德國開發(fā)的Keil軟件是一款51單片微型計(jì)算機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)，支持采用多種編程語言，包括匯編語言、C語言等高級(jí)語言。目前常用的 Keil μVision版本除了能夠進(jìn)行單純的軟件仿真（只進(jìn)行軟件程序仿真，不搭接硬件電路），同時(shí)能夠通過硬件仿真器，加上單片微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，在仿真器當(dāng)中加載設(shè)計(jì)程序后進(jìn)行電路的實(shí)時(shí)仿真。另外，還能夠利用μVision內(nèi)部嵌入的Keil Monitor-51模塊，不額外增加硬件仿真器的情況下，對(duì)單片微型計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)綜合調(diào)試[4]。

Keil C51目標(biāo)代碼生成效率很高，大部分語句匯編代碼生成很緊湊，理解起來比較容易。開發(fā)復(fù)雜軟件系統(tǒng)更加能夠表現(xiàn)出使用高級(jí)語言的編程優(yōu)勢。較匯編語言相比，在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上C程序設(shè)計(jì)語言有顯著的優(yōu)勢，因而好學(xué)易用。用過匯編語言的設(shè)計(jì)人員，今后再使用C語言來編程，會(huì)有更加深刻的體會(huì)。

2.Proteus與Keil軟件的聯(lián)調(diào)方法

Keil編譯軟件和Proteus仿真軟件的聯(lián)合調(diào)試，也就是要建立軟件和硬件仿真調(diào)試聯(lián)合的過程。硬件仿真環(huán)境和軟件執(zhí)行環(huán)境能夠組成軟件硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)，一般軟件設(shè)計(jì)環(huán)境和硬件仿真環(huán)境都有一套自己的查錯(cuò)和修改頁面，利用 Proteus仿真軟件和 Keil設(shè)計(jì)軟件就能夠完美地進(jìn)行軟件和硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。在該聯(lián)合調(diào)試項(xiàng)目系統(tǒng)中，Proteus仿真軟件作為硬件仿真界面，而Keil設(shè)計(jì)編譯軟件作為軟件調(diào)試界面。

二、單片微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)項(xiàng)目的模塊化分解

1.系統(tǒng)資源

所有的單片微型計(jì)算機(jī)都結(jié)合了一套系統(tǒng)資源。51單片微型計(jì)算機(jī)提供的資源包括寄存器和存儲(chǔ)器。我們可以利用多種51單片微型計(jì)算機(jī)的模擬仿真軟件來查看寄存器內(nèi)容。另外，在仿真軟件Proteus 中，執(zhí)行debug菜單下registers菜單命令可以調(diào)出相應(yīng)的仿真窗口。要想查看系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)器，可以通過執(zhí)行debug 菜單下的 internal memory 菜單項(xiàng)命令。

2.硬件接口

單片微型計(jì)算機(jī)的接口電路知識(shí)包含了應(yīng)用電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)品任務(wù)需要，Proteus仿真將單片微型計(jì)算機(jī)仿真和SPICE電路仿真進(jìn)行了整合，仿真工具包含各種儀器儀表，有示波器、邏輯分析儀，等等。

3.軟件程序

在課程的教學(xué)過程中，軟件程序的教學(xué)包括語句的結(jié)構(gòu)、功能講解，檢查語法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤。在項(xiàng)目課程實(shí)施時(shí)，針對(duì)具體單片微型計(jì)算機(jī)的任務(wù)，教師可以結(jié)合Keil和Proteus軟件進(jìn)行仿真、演示和講解，以取得良好的教學(xué)效果。

4.綜合應(yīng)用

一個(gè)完整的單片微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)包括軟件和硬件。在學(xué)完相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)后，通過項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)施，可以將一個(gè)項(xiàng)目分解成多個(gè)子任務(wù)，通過幾節(jié)課來完成，這樣學(xué)生更加容易掌握。這個(gè)階段，軟件的編寫、調(diào)試是學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)硬件電路，給出參考程序，幫助學(xué)生分析、理解、修改軟件達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求。

根據(jù)單片微型計(jì)算機(jī)課程的大綱要求結(jié)合學(xué)生的具體情況，教學(xué)中我將整個(gè)單片微型計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成單片微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、流水燈電路的設(shè)計(jì)與制作、交通燈電路的設(shè)計(jì)與制作、數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作以及漢字點(diǎn)陣LED顯示的設(shè)計(jì)與制作等項(xiàng)目。我將課程的知識(shí)點(diǎn)貫穿于項(xiàng)目任務(wù)中，指導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)踐學(xué)習(xí)掌握單片微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。

三、項(xiàng)目仿真教學(xué)實(shí)例

“單片微型計(jì)算機(jī)”是一門注重實(shí)踐的學(xué)科，學(xué)生要想很好地領(lǐng)會(huì)和應(yīng)用，必須通過真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù)來實(shí)施。單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，教學(xué)中搭建硬件電路需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱又不利于學(xué)生理解硬件。同時(shí)，單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程就是軟件、硬件不斷修改完善的過程。使用仿真軟件免去了反復(fù)修改硬件的不便，使單片微型計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)拓展到課堂之外。下面，我將以單片微型計(jì)算機(jī)的典型應(yīng)用“數(shù)碼管顯示”為例說明單片微型計(jì)算機(jī)的仿真教學(xué)。

“數(shù)碼管顯示”是單片微型計(jì)算機(jī)項(xiàng)目課程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。特別是數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)，其硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果讓學(xué)生搭接電路，大致需要四節(jié)課時(shí)，而且容易出錯(cuò)。采用Proteus仿真軟件搭接電路既節(jié)省時(shí)間，又不易出錯(cuò)，電路改動(dòng)非常方便，特別適合循序漸進(jìn)、由淺入深地開展探究式教學(xué)。教學(xué)過程中，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)及教學(xué)目標(biāo)，我將數(shù)碼管的顯示分為三個(gè)子任務(wù)，從單個(gè)數(shù)碼管到多個(gè)數(shù)碼管，由靜態(tài)顯示到動(dòng)態(tài)顯示，借助仿真軟件由易到難、層層推進(jìn)地完成教學(xué)任務(wù)。任務(wù)一是數(shù)碼管的靜態(tài)顯示，具體要求是用一個(gè)數(shù)碼管循環(huán)顯示0～9，時(shí)間間隔約0.5s。

四、任務(wù)實(shí)施步驟

本任務(wù)的學(xué)習(xí)目標(biāo)是理解數(shù)碼管靜態(tài)顯示的硬件結(jié)構(gòu)及原理；鞏固一維數(shù)組的定義、初始化及數(shù)組元素的引用方法；熟練掌握Keil調(diào)試軟件及Proteus仿真軟件的使用方法。

課前，我布置學(xué)生復(fù)習(xí)數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)、類型及工作原理；讓學(xué)生查閱數(shù)碼管顯示0～9時(shí)的共陰和共陽段碼表；復(fù)習(xí)一維數(shù)組相關(guān)知識(shí)；到課程資源庫中觀看靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示的動(dòng)畫視頻。

課上，我對(duì)學(xué)生課前的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行檢查，及時(shí)了解學(xué)情以便及時(shí)調(diào)整上課方案；講解靜態(tài)顯示原理及硬件結(jié)構(gòu)，給出參考原始程序，要求學(xué)生通過 Proteus搭接電路，利用 Keil軟件編譯程序；最后在仿真平臺(tái)上進(jìn)行軟硬件的綜合調(diào)試，巡回指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試，及時(shí)解決調(diào)試過程中遇到的問題，確保每組學(xué)生的基本功能程序調(diào)試成功。

1.打開Proteus軟件，繪制單個(gè)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示原理圖

通過硬件電路的繪制，我讓學(xué)生熟悉常用元件的名稱和位置，掌握快速查找元器件的方法，本例中，數(shù)碼管采用共陰極數(shù)碼管，讓學(xué)生注意辨別。另電路省略了數(shù)碼管的限流電阻，不影響仿真，但實(shí)際電路中要接上。單片微型計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘和復(fù)位電路在仿真電路中可以不畫，不影響仿真結(jié)果（如圖1）。

2. 打開Keil軟件，按照參考程序編輯軟件查錯(cuò)、編譯，產(chǎn)生HEX文件

采用C語言編寫程序，可讀性強(qiáng)，保存時(shí)，注意提醒學(xué)生保存為C文件，勾選產(chǎn)生HEX文件，在遇到未能編譯時(shí)需要查錯(cuò)，直到產(chǎn)生HEX文件。程序不長，重點(diǎn)和學(xué)生講解數(shù)組的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用、延時(shí)程序的修改，等等（如圖2）。

3.在Proteus仿真軟件中，將HEX文件加載到單片微型計(jì)算機(jī)中，運(yùn)行，觀察調(diào)試現(xiàn)象，完成基本功能任務(wù)

加載文件需要正確選擇HEX文件的保存路徑，所以，文件保存時(shí)，提醒學(xué)生不要亂存，方便查找。如若軟件、硬件正確，一般調(diào)試應(yīng)該正常。

4.修改基本功能程序，實(shí)現(xiàn)拓展功能

①實(shí)現(xiàn)0、2、4、6、8循環(huán)顯示；②實(shí)現(xiàn)1、3、5、7、9循環(huán)顯示；③實(shí)現(xiàn)由9至0依次遞減循環(huán)顯示。

學(xué)生分組討論、探究，教師點(diǎn)撥。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生嘗試修改程序，觀察程序運(yùn)行效果，不斷完善功能，達(dá)到知識(shí)的深度理解、靈活應(yīng)用。

拓展功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)一維數(shù)組的理解、通過反復(fù)修改程序加強(qiáng)學(xué)生對(duì)Proteus仿真軟件和Keil軟件的熟練使用。這種需要頻繁修改程序的課程更加能夠體現(xiàn)利用仿真軟件教學(xué)帶來的便利性和直觀性，大大地提高課堂教學(xué)的效率。

五、結(jié)語

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行單片微型計(jì)算機(jī)的仿真教學(xué)，優(yōu)勢非常明顯，克服了教學(xué)過程中枯燥的理論難于理解的問題。學(xué)生可以通過軟件仿真看到直觀的現(xiàn)象，幫助修改調(diào)試程序，快速掌握知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)興趣。這種軟件仿真教學(xué)硬件投入少、沒有硬接線和元器件的損耗，既節(jié)約資源也省時(shí)省力，確保了很好的教學(xué)效果。

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