軟件仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

趙群禮

關(guān)鍵詞：Proteus；Keil；單片機(jī)；仿真技術(shù)；實(shí)驗(yàn)課程

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0057-03

0 引言

在計(jì)算機(jī)和電子信息類專業(yè)中，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。學(xué)生要想學(xué)好這門課程，必須自己動手去完成一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)過程中對所學(xué)單片機(jī)理論知識的驗(yàn)證、比較、探索和總結(jié)，使自己能夠?qū)λ鶎W(xué)知識有更深刻的理解和掌握，因此，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在整個課程的教學(xué)中占有很重要的位置[1，2]。在傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，多數(shù)高校都采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以通過動手操作實(shí)際硬件，增加對單片機(jī)等電子元器件的直觀認(rèn)識，但這種方式也有很明顯的不足之處。對于廠家生產(chǎn)的某種型號的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱來說，它所具有的硬件配置一般是固定不變的，能夠完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量也是很有限的，而且很難自主開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，為了與單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展保持基本同步，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目常常需要更新和修改，有時也需要設(shè)計(jì)開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，然而單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱中固定有限的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以滿足教學(xué)革新的需要，已不能與實(shí)際教學(xué)發(fā)展相適應(yīng)[3]。解決這個問題的一種方案是高校繼續(xù)增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入，購買新的配置更高的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱和配件，但需要大量的資金，這對很多高校來說都是一項(xiàng)沉重的負(fù)擔(dān)。另一種解決方案是采用軟件仿真技術(shù)，利用成熟穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的仿真軟件，模擬單片機(jī)及各種電子元器件的功能，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該方案不僅能大量減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入，而且也能使單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加靈活，在讓學(xué)生自己動手繪制實(shí)驗(yàn)電路圖的同時，更能加深學(xué)生對所做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)際動手能力。本文在介紹軟件仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重闡述軟件仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用方式。

1 軟件仿真技術(shù)

軟件仿真技術(shù)就是采用相關(guān)專業(yè)軟件來仿真硬件的相應(yīng)功能，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)硬件的相關(guān)電路、指令和性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和測試[3-6]。相對于采用硬件實(shí)驗(yàn)箱的方式，采用軟件仿真技術(shù)有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

1） 電路設(shè)計(jì)和修改方便

在仿真軟件里面，隨時可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需要修改電路設(shè)計(jì)，刪除、增加連線很方便，沒有硬件實(shí)驗(yàn)箱中因沒有連接端子而無法接線的限制。

2） 易于代碼編寫和調(diào)試

在仿真軟件里面，通過簡單的選擇文件操作，就可以將運(yùn)行代碼裝載到單片機(jī)仿真芯片里，然后即可運(yùn)行和調(diào)試，整個過程既簡單又快捷。而在硬件實(shí)驗(yàn)箱中需要先進(jìn)行交叉編譯，再通過專用的下載接口將代碼寫入到單片機(jī)的程序ROM中，最后再運(yùn)行和調(diào)試，整個過程相對較慢，而且需要連接相應(yīng)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可能會存在因接口和線路問題引起的故障。

3） 節(jié)約實(shí)驗(yàn)測試成本

在軟件仿真技術(shù)中，所有的電路、電子元件和芯片都是用相應(yīng)軟件模塊模擬的，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程不會造成電子元器件的損耗，因此節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。若采用硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中由于要進(jìn)行接線和更換相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，有可能會造成電子元器件的損壞，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱的部分模塊不能使用，甚至整個實(shí)驗(yàn)箱報(bào)廢。

4） 便于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新和開發(fā)

在軟件仿真技術(shù)中，可以根據(jù)實(shí)際需要隨時修改和更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以隨時開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。而在硬件實(shí)驗(yàn)箱中，其所能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在出廠前就已設(shè)計(jì)好，后期要更新和開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會受到硬件上的限制，有的實(shí)驗(yàn)箱甚至無法開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新和開發(fā)很難實(shí)施。

基于軟件仿真技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，我們提倡多使用仿真軟件，以提高開展實(shí)驗(yàn)的效率，減少單片機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)支出。

目前可用于電路仿真的軟件有多款，其中較為常用的有Proteus、Virtual BreadBoard、Multisim、AltiumDesigner等，而在單片機(jī)仿真方面，Proteus是功能最全、最好用的一款軟件。該軟件是由Labcenter Elec?tronic公司設(shè)計(jì)開發(fā)的，目前已經(jīng)更新到8.15版。它不僅可以用來仿真多種型號的單片機(jī)，也可以仿真多種型號的ARM，其自身包含的元器件庫十分豐富，即使所需的元件沒有包含在庫中，也可以從第三方下載元件庫導(dǎo)入，使得該仿真軟件具有較好的可擴(kuò)展性，基本能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的仿真需要。本文主要以Proteus 8為例，闡述軟件仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何運(yùn)用，Proteus 8的運(yùn)行界面如圖1所示。

2 軟件仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)的重要組成部分，將軟件仿真技術(shù)融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的方式有兩種：1） 采用純軟件仿真的方式；2） 采用軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的方式。在第一種方式中僅需購買電腦設(shè)備，不需要購買硬件實(shí)驗(yàn)箱和配套設(shè)備，也不需要建設(shè)專門的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，可以和軟件類的實(shí)驗(yàn)室合并到一起，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入。在第二種方式中需要購買電腦設(shè)備、硬件實(shí)驗(yàn)箱、示波器、耗材等，而且需要建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室，投入相對較大。這兩種方式都可以開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，但從全面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力的角度看，第二種方式更有利于提高學(xué)生的實(shí)際動手能力。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，先讓學(xué)生在仿真軟件中完成電路的繪制、代碼的編寫和測試，在測試通過以后，再將代碼寫入實(shí)驗(yàn)箱的單片機(jī)中進(jìn)行測試運(yùn)行，減少了實(shí)驗(yàn)過程中對耗材和實(shí)驗(yàn)箱的損耗。這種方式不僅能鍛煉學(xué)生的動手能力，也能增加學(xué)生對各種元器件的認(rèn)識和使用體會，因此，本文建議在經(jīng)費(fèi)充足的高校應(yīng)采用這種方式開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，該方式下實(shí)驗(yàn)的過程如圖2所示。

1） 在做實(shí)驗(yàn)前首先要選擇好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確定用到的知識點(diǎn)和相關(guān)的電子元器件參數(shù)，以及它們之間的連接方式。

2） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要完成的內(nèi)容，在仿真軟件中繪制電路圖，將各個元器件合理地進(jìn)行排布，并組合到一起，形成一個完整的電路。

3） 電路設(shè)計(jì)好以后，可以用C51語言編寫代碼，完成實(shí)驗(yàn)要求的功能。為了提高編碼效率，通常是在專用的集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并編譯生成可以在單片機(jī)中運(yùn)行的可執(zhí)行代碼。

4） 將編譯后生成的可執(zhí)行代碼文件和仿真軟件中的單片機(jī)芯片進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，然后調(diào)試運(yùn)行，如果在這個過程中發(fā)現(xiàn)問題可以返回修改電路和代碼。

5） 在仿真軟件中調(diào)試通過以后，再通過實(shí)驗(yàn)箱的硬件接口將代碼寫入單片機(jī)的ROM中，然后在實(shí)驗(yàn)箱中運(yùn)行測試。

在以上實(shí)驗(yàn)過程中，先應(yīng)用仿真軟件設(shè)計(jì)電路，然后再用仿真軟件對代碼進(jìn)行調(diào)試，這樣可以快速找出電路和代碼中可能存在的問題，節(jié)約了調(diào)試時間，提高了做實(shí)驗(yàn)的效率。

3 應(yīng)用案例

為了進(jìn)一步說明仿真軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用過程，本文在這部分結(jié)合一個簡單的實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行闡述。

1） 流水燈顯示實(shí)驗(yàn)：用AT89C51的P3口控制8個LED流水點(diǎn)亮。

實(shí)驗(yàn)分析：在該示例中使用AT89C51 單片機(jī)的P3接口連接8個LED，通過改變P3接口各引腳的電平信號，使相連接的LED導(dǎo)通或截止，即使得LED點(diǎn)亮或熄滅。要實(shí)現(xiàn)流水點(diǎn)亮效果，可以通過控制P3口各引腳的電平使各LED按次序輪流點(diǎn)亮，即在某個時刻只有一個LED點(diǎn)亮，其他LED熄滅，然后依次點(diǎn)亮下一個LED，并在兩個LED點(diǎn)亮的間隙加上延時，從而實(shí)現(xiàn)流水點(diǎn)亮效果。

2） 設(shè)計(jì)電路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，在Proteus8仿真軟件中選擇相應(yīng)的電子元器件，并按照實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行連線。由于P3口的驅(qū)動能力有限，這里將LED采用共陽極的接法，將8個LED的正極通過限流電阻接到+5V電源上。限流電阻值的大小會影響LED的明暗程度，為了看到較明顯的實(shí)驗(yàn)效果，在此實(shí)驗(yàn)中選擇了較小的電阻值，電路連接如圖3所示。

3） 編寫代碼

在電路設(shè)計(jì)好以后，用C51語言在Keil uVision集成開發(fā)環(huán)境中編寫流水燈顯示實(shí)驗(yàn)代碼，如圖4所示。代碼編寫好以后，再進(jìn)行編譯，最終需要生成可以寫入單片機(jī)的Hex文件。

4） 仿真調(diào)試

將編譯生成的Hex文件關(guān)聯(lián)到AT89C51仿真模塊中，這相當(dāng)于將代碼寫入單片機(jī)硬件中，然后運(yùn)行仿真電路，測試代碼的運(yùn)行結(jié)果是否正確，如圖5 所示。

5） 硬件調(diào)試

在軟件仿真調(diào)試通過以后，可以連接單片機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)箱，將代碼寫入實(shí)驗(yàn)箱的51單片機(jī)中，其在實(shí)驗(yàn)箱中的調(diào)試運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)箱中的8個LED 分別為D11、D12、D13、D14、D15、D16、D17 和D18，對應(yīng)軟件仿真電路中的D1～D8。在用硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試時要注意各部件的實(shí)際接線，如果實(shí)際接線和仿真電路不一致，需要對代碼進(jìn)行調(diào)整，使其與實(shí)際電路保持一致。

通過以上的案例可以看出，將軟件仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并掌握一定的電路和電子元器件知識。在自己動手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路、編寫和調(diào)試實(shí)驗(yàn)代碼的同時，也加深了學(xué)生對所學(xué)單片機(jī)理論知識的理解，進(jìn)一步提高了學(xué)生將單片機(jī)知識應(yīng)用到實(shí)踐中的能力。

4 總結(jié)

軟件仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果得到改善和提高。學(xué)生在仿真軟件中設(shè)計(jì)電路和編寫代碼的過程中培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)技能，提高了解決實(shí)際問題的能力。然而，隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用軟件仿真技術(shù)的方式還需要繼續(xù)深入研究和實(shí)踐，力爭將軟件仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，使學(xué)生的應(yīng)用能力和社會適應(yīng)能力得到鍛煉和培養(yǎng)，并真正成長為對社會有用的人才，這樣也就達(dá)到了課程教學(xué)的最終目標(biāo)。