基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用

周茂霞 白成杰

摘 ?要 提出以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)為主的一種基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用方法，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)融合，對(duì)改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供技術(shù)支持。開(kāi)展虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn);Proteus;虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)教學(xué);單片機(jī);實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）16-0018-03

Virtual Simulation Network Laboratory Construction and Usage

based on Single Chip Microcomputer Experiments by Proteus//ZHOU Maoxia， BAI Chengjie

Abstract In this paper， a type of virtual simulation Network labora-tory construction， which is based on Single Chip Microcomputer （SCM） by Proteus and primarily performs task driven learning， and the methods of its usage are proposed. Through the integration of network technology， simulation technology and virtual technology， it provides technical support for the reform of traditional experimental teaching. By using virtual simulation Network laboratory， it helps to

cultivate students ability of independent innovation and improve the

results of experiment teaching. This application is expected to have profound influence on experiment teaching reform.

Key words virtual experiment; Proteus; virtual simulation network laboratory; experiment teaching; microcontrollers; laboratory mana-gement system

1 前言

單片機(jī)（Microcontrollers）課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體、仿真等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以在仿真環(huán)境中完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[1]。網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，其特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用者不必?fù)?dān)心因操作不當(dāng)引起的儀器設(shè)備損耗。開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間和空間的限制，學(xué)生和教師可隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室操作儀器設(shè)備，使用虛擬元器件，自主搭建電路，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量?；赑roteus的單片機(jī)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與應(yīng)用，將會(huì)對(duì)教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2 基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用為越來(lái)越多的學(xué)習(xí)者提供了良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。在基于Proteus的單片機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生利用Proteus仿真軟件可自主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等工作，一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)、一套Proteus仿真軟件、一本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程，就可相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備齊全的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室[2]。以虛代實(shí)、以軟代硬即為虛擬實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì)。

在單片機(jī)課程中，實(shí)驗(yàn)幾乎貫穿教學(xué)的整個(gè)過(guò)程。目前大部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)與教學(xué)脫離，課堂教學(xué)以理論為主，內(nèi)容抽象;在傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)采用固定的實(shí)驗(yàn)箱，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連接簡(jiǎn)單的電路，程序抄到電腦編譯軟件中，經(jīng)編譯下載到單片機(jī)驗(yàn)證結(jié)果，學(xué)生很難參與具體的項(xiàng)目細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，動(dòng)手能力很難得到訓(xùn)練與提高[3]。在課程設(shè)計(jì)階段，手工搭建電路是非常耗時(shí)耗力的大工程，同時(shí)由于學(xué)生能力有限，而搭建項(xiàng)目涉及PCB板制作、器件選型、焊接，這些任務(wù)短期內(nèi)無(wú)法完成，不能保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而影響教學(xué)效果;有時(shí)搭建核心板的任務(wù)開(kāi)始部分就會(huì)失敗，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)。而使用虛擬實(shí)驗(yàn)室操作可有效避免這一問(wèn)題。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以在虛擬軟件上動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)電路，非常直觀地看到電路的設(shè)計(jì)連接以及器件的選型使用。學(xué)生在使用已搭建好的單片機(jī)核心模塊的基礎(chǔ)上也可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)操作能力、分析診斷故障能力以及創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境里，學(xué)生不用擔(dān)心由于操作不當(dāng)引起器件的損壞;在設(shè)計(jì)階段，可以反復(fù)調(diào)試更換器件。軟硬件調(diào)試通過(guò)后，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)物產(chǎn)品，可達(dá)到事半功倍的效果。

如在設(shè)計(jì)條形LED的流水燈效果實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)初期沒(méi)有設(shè)計(jì)限流電阻，在仿真實(shí)驗(yàn)程序時(shí)發(fā)現(xiàn)條形燈亮一次后就滅掉了，分析實(shí)驗(yàn)程序沒(méi)有錯(cuò)誤，只能是硬件電路的錯(cuò)誤。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析，發(fā)現(xiàn)是由于沒(méi)有加上限流電阻的問(wèn)題，從而展開(kāi)討論限流電阻的計(jì)算方法，擴(kuò)展到所有類似電子元器件的參數(shù)計(jì)算選型問(wèn)題，這樣就能提高學(xué)生的分析診斷能力。

如果開(kāi)始就按著元件參數(shù)搭建該實(shí)物電路，必然燒壞實(shí)物，影響學(xué)生心情及學(xué)習(xí)進(jìn)度，又因擔(dān)心電路毀壞而變得畏首畏尾，導(dǎo)致學(xué)生由于挫敗感而喪失學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，使用虛擬仿真也不是完全放棄實(shí)際的操作，在課程設(shè)計(jì)中先設(shè)計(jì)虛擬仿真電路，實(shí)驗(yàn)成功后按著成功的仿真電路搭建實(shí)際電路，更能節(jié)約課程設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高實(shí)物產(chǎn)品的首次成功率，增強(qiáng)學(xué)生的信心[4]。

3 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的技術(shù)支持

虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)器材庫(kù)及開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)組成。目前用于電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件非常豐富，包括Proteus、Multisim等仿真軟件，其中Proteus特別適合對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真，其最大的特點(diǎn)是可以仿真51、PIA、AVR、ARM8086等多種系列的處理器。除擁有豐富的元器件外，Proteus還提供了各種虛擬儀器，如常用的電流表、電壓表、示波器、計(jì)數(shù)/定時(shí)/頻率計(jì)、SPI調(diào)試器等虛擬終端，支持圖形化的分析功能等，還包含強(qiáng)大的調(diào)試工具。如此，Proteus就具備了建立嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的前兩個(gè)條件。

開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)可以借助校園網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，借助現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，學(xué)生在登錄后可根據(jù)自己的具體情況選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，決定學(xué)習(xí)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，具有很強(qiáng)的自主性和決策性，方便實(shí)現(xiàn)交互學(xué)習(xí)。借助Proteus仿真軟件和校園網(wǎng)絡(luò)建立嵌入式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

4 網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能及使用方法

以網(wǎng)站的形式建設(shè)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)登錄窗口分為學(xué)生登錄入口與教師登錄入口。學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)需先登錄，學(xué)生的信息在教師管理部分由任課教師預(yù)先錄入。網(wǎng)站后臺(tái)建有學(xué)生信息數(shù)據(jù)庫(kù)和教師信息數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)生登錄系統(tǒng)時(shí)輸入登錄信息，驗(yàn)證通過(guò)后可進(jìn)入班級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)室頁(yè)面;教師登錄后可完成后臺(tái)相應(yīng)的管理功能。

學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè) ?學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室界面包括兩大部分。

1）學(xué)生自由學(xué)習(xí)部分。針對(duì)單片機(jī)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度，在該部分提供任務(wù)實(shí)例項(xiàng)目單元。每一個(gè)任務(wù)包括題目、任務(wù)實(shí)現(xiàn)要求、任務(wù)分析、Proteus硬件仿真參考電路圖、Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫的軟件項(xiàng)目參考源程序。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，教師預(yù)先為每個(gè)任務(wù)搭建虛擬仿真電路原理圖，編寫參考程序，列出詳細(xì)的要求及任務(wù)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)步驟、電路元器件選型的依據(jù)及有關(guān)元器件的參數(shù)手冊(cè)，供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)可自由把該單元下載到自己的計(jì)算機(jī)上，硬件原理圖與軟件項(xiàng)目包可以直接用來(lái)仿真驗(yàn)證。學(xué)生也可以根據(jù)任務(wù)要求，參考提供的實(shí)例，按照自己的思路重新設(shè)計(jì)電路圖。這種方式使得學(xué)生的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的選擇性和自主性。

網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，學(xué)生在許可權(quán)限范圍內(nèi)，根據(jù)自己的實(shí)際情況自主選擇學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)方式，不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間和條件限制，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和決策性，實(shí)驗(yàn)效果事半功倍。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪情_(kāi)放式的，學(xué)生在此之上借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)一步自主搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停舴抡娉晒?，進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2）實(shí)驗(yàn)作業(yè)部分。在此部分顯示任課教師布置實(shí)驗(yàn)作業(yè)，提供作業(yè)的題目名稱、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、系統(tǒng)核心電路仿真圖。這部分使用Proteus仿真軟件搭建虛擬仿真核心電路模塊，相當(dāng)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板的核心板電路模塊。因?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的核心電路圖都是一樣的，所以教師可以搭建出包括晶振電路、復(fù)位電路的核心電路。對(duì)于系統(tǒng)需外擴(kuò)總線的實(shí)驗(yàn)，除了搭建晶振和復(fù)位電路外，教師可搭建出地址總線、數(shù)據(jù)總線及控制總線外接口，方便學(xué)生使用。學(xué)生完成作業(yè)后可以方便及時(shí)地線上提交，教師進(jìn)行線上評(píng)價(jià)。

教師虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè) ?教師登錄信息由教師本人注冊(cè)，注冊(cè)信息由系統(tǒng)管理人員管理。教師登錄后可以運(yùn)用以下幾項(xiàng)功能。

1）班級(jí)學(xué)生管理功能。教師開(kāi)設(shè)單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課后，需要對(duì)上課的學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)管理。首先錄入學(xué)生信息，只有在此錄入信息的學(xué)生，才可以登錄該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，初始密碼由管理本班學(xué)生的教師指定。

2）管理學(xué)習(xí)任務(wù)功能。教師可以方便地增加學(xué)習(xí)任務(wù)，根據(jù)實(shí)際修改，增加、刪除相關(guān)的資料。這些學(xué)習(xí)任務(wù)、資料屬于虛擬實(shí)驗(yàn)室的公共資源，在沒(méi)有對(duì)學(xué)生公布之前，他們無(wú)法看到。注冊(cè)登錄的教師有義務(wù)增加學(xué)習(xí)資料，有選擇地對(duì)任課班級(jí)學(xué)生公布開(kāi)放。

3）布置實(shí)驗(yàn)作業(yè)功能模塊。在此模塊，教師方便地選擇實(shí)驗(yàn)任務(wù)，發(fā)布實(shí)驗(yàn)作業(yè)，規(guī)定完成時(shí)間等要求，查看學(xué)生提交的作業(yè)情況，給出學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià);對(duì)成績(jī)確認(rèn)后，可以按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)的序號(hào)分類及學(xué)生學(xué)號(hào)自動(dòng)匯總到班級(jí)成績(jī)表里，方便查看。

4）提供學(xué)生與教師交流平臺(tái)功能，方便學(xué)生與教師的在線交流，及時(shí)解決問(wèn)題，發(fā)布公告，開(kāi)展學(xué)習(xí)討論等。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展基于Proteus的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用，可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問(wèn)題。學(xué)生能夠及時(shí)、方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)，可以極大地提高學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)[5]。

開(kāi)展基于Proteus的單片機(jī)網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用，對(duì)提高教師教學(xué)技能也是一個(gè)很好的促進(jìn)。教師在備課過(guò)程中不僅要組織教學(xué)語(yǔ)言，還要對(duì)電路、程序進(jìn)行虛擬仿真，使得教學(xué)過(guò)程變得豐富、生動(dòng)，并能吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而使教學(xué)質(zhì)量得到明顯提升。

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