針對(duì)高職學(xué)生的虛擬化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

路銘 肖琳 翟世駿 劉朝霞

摘 要 本文針對(duì)電子類高職《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》課程在教學(xué)中出現(xiàn)的各種問題作了詳細(xì)的分析，并結(jié)合當(dāng)前流行的單片機(jī)虛擬仿真軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容提出課程建設(shè)方法及思路，這有助于課后實(shí)時(shí)把抽象的理論問題更直觀地展示給學(xué)生。

關(guān)鍵詞 單片機(jī) 虛擬仿真 Proteus軟件 Keil軟件

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》是很多高職電子類相關(guān)專業(yè)開設(shè)的核心課程；同時(shí)，這門課程也是從事電子自動(dòng)化及嵌入式應(yīng)用開發(fā)等工作崗位的工程技術(shù)人員必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)理論。由于單片機(jī)是一種高度集成的數(shù)字集成電路MCU芯片，它涉及微處理器體系架構(gòu)，芯片內(nèi)部功能資源，以及軟件開發(fā)等一系列復(fù)雜的知識(shí)要素，這就要求學(xué)生不僅能夠理論與實(shí)踐相結(jié)合，而且還要掌握硬件與軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。目前，傳統(tǒng)的單片機(jī)的教學(xué)采用先理論后實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)施，其主要有以下一些問題使得老師難教學(xué)生難學(xué)，教學(xué)效果不理想。

首先，傳統(tǒng)的理論教學(xué)大多采用“講義+板書+講臺(tái)”的方式。這種方式以教師為主體，學(xué)生客觀被動(dòng)接受老師傳授的知識(shí)。但是，單片機(jī)課程的特點(diǎn)是概念多，內(nèi)容抽象。因此，這種灌輸知識(shí)的方式不利于初學(xué)者掌握相關(guān)知識(shí)，而且缺乏互動(dòng)。第二，單片機(jī)原理以匯編指令為軟件開發(fā)載體，由于指令眾多且學(xué)生需要掌握每條指令的使用方法及單片機(jī)執(zhí)行所占用的硬件資源以及執(zhí)行時(shí)間。因此，學(xué)生難于理解且枯燥無味。第三，單片機(jī)知識(shí)的邏輯性和完整性使得各部分知識(shí)銜接緊密一環(huán)扣一環(huán)。如果沒有掌握好前面的知識(shí)，則后面將難于跟上。這使得學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

其次， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是理論課的重要補(bǔ)充（簡(jiǎn)化抽象問題），并且可以為學(xué)生提供動(dòng)手機(jī)會(huì)（理論與實(shí)踐相結(jié)合），但是目前?？茊纹瑱C(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課普遍存在這樣的問題。第一，實(shí)驗(yàn)課時(shí)嚴(yán)重不足，因此短時(shí)間內(nèi)只能為學(xué)生開設(shè)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而非設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，這大大降低了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)。第二，實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備類型單一，目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)多數(shù)采用教育公司開發(fā)的硬件實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開放性不足，而且價(jià)格較高。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣逐漸降低，其主動(dòng)思考和創(chuàng)新思維仍沒有得到有效的鍛煉，所以根本不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)課真正的目的。總結(jié)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課存在的問題分別是：重理論輕實(shí)踐；理論與實(shí)踐很難互補(bǔ)進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一。

2虛擬化的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

隨著EDA（Electronic Design Automation）仿真軟件的發(fā)展，電子類課程相關(guān)課程逐漸開始從傳統(tǒng)試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡媾c原型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。在教學(xué)實(shí)施中，兩個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容起到了非常重要。原型實(shí)驗(yàn)起到了讓學(xué)生從理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換到實(shí)際物理現(xiàn)象和作用的意義。然而，虛擬化仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以達(dá)到電子元器件零消耗；而且可以充分利用學(xué)生課后時(shí)間，進(jìn)行理論與實(shí)踐互補(bǔ)進(jìn)行；從而把抽象問題盡早解決，避免問題堆積，學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)興趣。在眾多的EDA仿真軟件中，Proteus+Keil軟件在《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程中起到了重要作用，其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）內(nèi)容豐富且全面：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)都可在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行。同時(shí)，克服了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定等方面的局限性。

（2）經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯：器件零損耗，不用建設(shè)專用實(shí)驗(yàn)室及配備相關(guān)電子測(cè)量設(shè)備，普通機(jī)房就可以實(shí)現(xiàn)。

（3）充分利用課外時(shí)間：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)時(shí)進(jìn)行，這不利于學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)觀察抽象的理論問題；然而，虛擬實(shí)驗(yàn)則可以實(shí)時(shí)幫助學(xué)生驗(yàn)證理論知識(shí)，而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果與實(shí)際工程非常接近。同時(shí)，也加強(qiáng)了老師與學(xué)生的互動(dòng)-以電子文件的形式發(fā)給老師。

3虛擬化單片機(jī)課程實(shí)施方案

通常，《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程包括六部分內(nèi)容：?jiǎn)纹瑱C(jī)硬件系統(tǒng)、單片機(jī)指令系統(tǒng)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)中斷系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。本文利用Proteus+Keil虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建課程實(shí)施方案，并結(jié)合一個(gè)綜合案例《基于LM35的溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)》貫通整個(gè)教學(xué)過程，其具體實(shí)施過程如下：

第一部分，單片機(jī)硬件系統(tǒng)：理論知識(shí)以講解為主，課后實(shí)驗(yàn)采用Proteus軟件進(jìn)行，包括三種復(fù)位電路及兩種時(shí)鐘電路實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在第一部分教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項(xiàng)目中“單片機(jī)最小系統(tǒng)”的搭建。

第二部分，單片機(jī)指令系統(tǒng)：各條指令的使用及功能以講解為主，課后實(shí)驗(yàn)采用Keil軟件進(jìn)行，包括五種指令集的使用，并在軟件中觀察單片機(jī)特殊功能寄存器的變化。

第三部分，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)常用結(jié)構(gòu)以講解為主，課后實(shí)驗(yàn)以第二部分為基礎(chǔ)，利用Keil軟件開展順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在第三部分教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項(xiàng)目中“程序流程圖”的繪制。

第四部分，單片機(jī)中斷系統(tǒng)：中斷類型及中斷優(yōu)先級(jí)以課堂講解為主，課后實(shí)驗(yàn)則利用Proteus+Keil軟件來實(shí)施，并以綜合實(shí)驗(yàn)中最小系統(tǒng)為載體，開展定時(shí)流水燈及按鍵控制數(shù)碼管顯示的虛擬實(shí)驗(yàn)。在第四部分教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項(xiàng)目中“定時(shí)控制數(shù)碼管顯示”的開發(fā)。

第五部分，單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展：外部存儲(chǔ)器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、串行通信的擴(kuò)展方式先理論講解，在課后實(shí)驗(yàn)中以“單片機(jī)最小系統(tǒng)”為載體，分別開展三個(gè)內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)。在第五部分教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項(xiàng)目中“I/O、A/D及串口通信功能的擴(kuò)展”并軟件測(cè)試通過。

第六部分，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)：購(gòu)置綜合案例《基于LM35的溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)》所需芯片，學(xué)生焊接電路，測(cè)試及驗(yàn)證所有功能。

從這個(gè)實(shí)施過程可以看出，《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)完全被虛擬實(shí)驗(yàn)所代替；而且一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)被開展，它貫通于整門課程的所有教學(xué)內(nèi)容；最后，學(xué)生通過實(shí)物焊接與開發(fā)，更直觀地認(rèn)識(shí)到單片機(jī)課程內(nèi)容，從而提高教學(xué)效果。

基金項(xiàng)目：北京聯(lián)合大學(xué)2018年專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目和2017年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：路銘（1981.10-）男，滿族，北京人，碩士，北京聯(lián)合大學(xué)，講師，研究方向：高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)拓?fù)浼翱刂品椒ā?/p>