虛擬仿真技術(shù)在總線技術(shù)課程中的應(yīng)用

◇重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 傅釔中

本文分析了總線技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題，提出引入虛擬仿真技術(shù)，使用Proteus和Keil軟件構(gòu)建虛擬實驗平臺，進(jìn)行虛擬仿真實驗，并以基于RS232總線的單片機雙機通信實驗為例，介紹了使用Proteus+Keil進(jìn)行仿真實驗的過程。虛擬仿真技術(shù)可以打破時間、空間、實驗器材的限制，有效提高學(xué)生的實驗實踐質(zhì)量，從而提高整體教學(xué)效果。

1 引言

近年來，虛擬仿真技術(shù)在各類高校教學(xué)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在本科方面，2019年教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，明確提出要建設(shè)1500門左右國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程[1]。在職業(yè)教育方面，教育部經(jīng)職業(yè)院校自愿申報、省級教育行政部門推薦、線上線下專家遴選、公示等環(huán)節(jié)，確定215個職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地培育項目，并鼓勵各地按照“先培育后認(rèn)定”的方式，同步培育其他虛擬仿真實訓(xùn)基地[2]。尤其是在當(dāng)前新冠肺炎疫情背景下，線上線下混合式教學(xué)得到了快速的發(fā)展，在線實踐教學(xué)的高質(zhì)量開展離不開虛擬仿真技術(shù)的有力支持。虛擬仿真技術(shù)在各類課程中的融入和應(yīng)用成為了高校課程改革的一個研究熱點。

2 總線技術(shù)課程現(xiàn)狀分析

總線技術(shù)是電子信息工程技術(shù)專業(yè)（火箭軍、戰(zhàn)略支援部隊士官生）和應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)（火箭軍士官生）的必修課，是一門理論與工程實踐結(jié)合緊密的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程共48課時，其中理論40課時，實訓(xùn)8課時，先修課程包括計算機應(yīng)用基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用、單片機應(yīng)用技術(shù)等，教學(xué)內(nèi)容包括總線技術(shù)基礎(chǔ)、通用總線技術(shù)、汽車總線技術(shù)、航空航天總線技術(shù)，是一門內(nèi)容離散度高、綜合性強的課程。當(dāng)前的總線技術(shù)課程教學(xué)中存在以下問題。

第一，課程涉及的總線種類繁多，應(yīng)用場景復(fù)雜，在進(jìn)行理論知識授課時，教師為了教學(xué)內(nèi)容更加生動形象，除了傳統(tǒng)的ppt和板書以外，會根據(jù)需要靈活使用圖片、視頻等多媒體資源，并引用具體案例進(jìn)行分析，但由于學(xué)生缺乏實際應(yīng)用，所學(xué)的多種總線知識并不牢固，容易遺忘或混淆。

第二，課程主要以課堂教學(xué)為主，沒有設(shè)置明確的實踐實訓(xùn)環(huán)節(jié)，實訓(xùn)課時一般使用實驗板進(jìn)行實驗，但課時少，覆蓋面窄，與實際工作應(yīng)用場景不匹配，使得實驗達(dá)到的效果比較有限，很難保證學(xué)生在以后工作環(huán)境中可以靈活地運用所學(xué)知識。

第三，高校采用的實驗板一般是直接采購?fù)獠繌S家制造的成品，或是由學(xué)校教師設(shè)計好電路，再交由外部廠家進(jìn)行生產(chǎn)，其整體結(jié)構(gòu)和電路都被固化，學(xué)生只可以做極少部分的連線調(diào)整，難以進(jìn)行電路設(shè)計方面的實驗，一般只能根據(jù)教師的步驟進(jìn)行驗證性實驗。

第四，實驗板數(shù)量有限，一般一個班只有10余套，經(jīng)過長時間使用后，存在老化損壞現(xiàn)象，可能導(dǎo)致學(xué)生無法正確完成實驗。實驗通常只能在機房或?qū)嶒炇疫M(jìn)行，學(xué)生可以做實驗的時間、空間受到限制，一般在實訓(xùn)課時間以外無法動手實踐，影響學(xué)生的實驗效果[3]。

為了解決這些問題，加強實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)是一種有效的方案。但由于資金、設(shè)備、場地等因素，實際的實驗實訓(xùn)很難開展。因此考慮引入虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，以提升課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實踐能力。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)概述

虛擬仿真技術(shù)的主要特征是虛實結(jié)合[4]，利用虛擬仿真軟件的模擬功能，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象[5]，模擬電路、設(shè)備、儀器等的運行情況，達(dá)到與真實實驗一致的目的。將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)有如下優(yōu)勢：第一，學(xué)生只需要在自己的電腦上安裝對應(yīng)的仿真軟件即可進(jìn)行實驗，不再需要額外的實驗器材，也不需要限定時間和場所，既降低了教學(xué)成本，又拓展了實驗教學(xué)的時間和空間，并方便開展線上線下混合式教學(xué)。第二，使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實驗時，學(xué)生不再被傳統(tǒng)的實驗板所限制，能夠更加開放性地進(jìn)行實驗和探索，可以有效發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第三，教師授課時，對于一些不容易理解的知識點，也可以通過虛擬仿真實驗進(jìn)行演示，在不提高教學(xué)成本的情況下令課程更加生動形象，便于學(xué)生理解和記憶。第四，實驗平臺可以在多門課之間復(fù)用，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，讓先修課程與后修課程具有更強的連續(xù)性，并可以開展跨課程綜合性實驗,讓學(xué)生融會貫通應(yīng)用多門課程的知識、方法和技能[6]。第五，實驗內(nèi)容更加豐富，可以根據(jù)社會生活和生產(chǎn)實踐前沿對實驗內(nèi)容進(jìn)行靈活變更，更加貼近社會對于人才技能的需求。

虛擬仿真實驗的選擇應(yīng)具有一定的導(dǎo)向。一是重點選擇不具備真實實驗項目條件或?qū)嶋H運行困難的實驗，例如涉及高危極端環(huán)境、高成本高消耗操作等，通過虛擬仿真實驗可以規(guī)避這些問題；二是要承載先進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，緊密聯(lián)系行業(yè)產(chǎn)業(yè)最新的發(fā)展成果，滿足社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求；三是要包含綜合設(shè)計性實驗，并輔以線上的輔助教學(xué)資源，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，提高學(xué)生自主探索專業(yè)理論知識的能力[5]。

4 Proteus+Keil在總線技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus是一款優(yōu)秀的EDA軟件，有“單片機仿真軟件”和“虛擬實驗室”的美稱[7]。它提供大量的元器件庫，支持多種處理器芯片，提供示波器、信號發(fā)生器等大量虛擬儀器儀表，支持字符型LCD模塊、LED點陣、數(shù)碼管等外部設(shè)備仿真[8]，可以靈活進(jìn)行電路的設(shè)計和修改，支持與Keil、ICCAVR等多種編譯器進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，在電子類專業(yè)的多門課程得到廣泛應(yīng)用。

總線技術(shù)課程安排在大二第2學(xué)期，之前已經(jīng)先修了單片機應(yīng)用技術(shù)課程。根據(jù)總線技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容特點，在教學(xué)實施中，利用Proteus軟件和Keil軟件搭建虛擬仿真平臺，使用單片機作為仿真對象，通過虛擬仿真實驗來輔助理論和實踐教學(xué)，以改善課程的教學(xué)效果。

5 具體實驗教學(xué)案例

下面以基于RS232總線的單片機雙機通信實驗為例，介紹采用Proteus+Keil進(jìn)行虛擬仿真實驗的過程。

5.1 實驗要求

單片機1與單片機2以RS232總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使得單片機1配套的數(shù)碼管顯示單片機2的S2按鍵按下的次數(shù)，單片機2配套的數(shù)碼管顯示單片機1的S1按鍵按下的次數(shù)。

5.2 實驗分析

選用AT89C51單片機作為實驗對象。RS232總線采用單端傳輸，電氣特性采用15V到-15V的負(fù)邏輯電平，而AT89C51單片機的輸入輸出端口采用TTL電平，兩者的電平不一致，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本次實驗選用MAX232芯片作為轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可以實現(xiàn)TTL電平與232電平的雙向轉(zhuǎn)換，在民用中應(yīng)用廣泛，可以滿足本次實驗的要求[9]。此實驗中單片機1和2功能上完全對稱，兩者的電路設(shè)計和軟件設(shè)計均可以復(fù)用。MAX232包含有兩對TTL電平轉(zhuǎn)232電平引腳（T1IN與T1OUT、T2IN與T2OUT）和兩對232電平轉(zhuǎn)TTL電平引腳（R1IN與R1OUT、R2IN與R2OUT），實驗中單片機1的輸出信號（TTL電平）先通過MAX232轉(zhuǎn)換為232電平，經(jīng)過通路傳輸后，再通過MAX232轉(zhuǎn)換為TTL電平，被單片機2接收，完成單片機1向單片機2的通信，反之同理。

5.3 電路設(shè)計

以單片機1的電路設(shè)計為例。根據(jù)實驗要求，單片機1在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要連接一個數(shù)碼管和一個按鍵。數(shù)碼管我們選用7SEG-MPX4-CA，是四位共陽極七段數(shù)碼管，其段引腳連接到單片機的P2.0～P2.7，位引腳連接到單片機的P1.0～P1.3。按鍵S1連接到單片機P3.5。通信部分使用單片機的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)。P3.1(TXD)連接到MAX232芯片的T2IN引腳，對應(yīng)的T2OUT連接到單片機2的MAX232芯片的R1IN引腳，用于往單片機2發(fā)送數(shù)據(jù)；P3.0(RXD)連接到MAX232芯片的R1OUT引腳，對應(yīng)的R1IN引腳連接到單片機2的MAX232芯片的T2OUT，用于從單片機2接收數(shù)據(jù)。單片機1除最小系統(tǒng)外的電路圖如圖1所示。單片機2的電路圖與單片機1對稱設(shè)計即可。

圖1 單片機1接口電路

5.4 軟件設(shè)計

在Keil軟件中使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計。程序主要包含如下幾項功能：按鍵檢測、數(shù)碼管顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收。按鍵檢測用輪詢方式進(jìn)行，雖然虛擬仿真中不會出現(xiàn)誤識別現(xiàn)象，但為了學(xué)生養(yǎng)成良好習(xí)慣，此處應(yīng)加上消除抖動的設(shè)計。數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式，用輪詢方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通過AT89C51單片機的串口通信功能實現(xiàn)。由于學(xué)生已經(jīng)先修了單片機應(yīng)用技術(shù)課程，代碼實現(xiàn)對于學(xué)生來說難度不高。軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。編譯調(diào)試通過后，生成hex可執(zhí)行文件。

圖2 軟件流程圖

5.5 聯(lián)合仿真調(diào)試

打開在Proteus軟件中繪制的實驗電路圖，雙擊AT89C51芯片，加載Keil軟件生成的hex文件，點擊仿真按鈕即可進(jìn)行仿真。通過按下S1和S2按鍵，觀察對方的數(shù)碼管能否正常顯示按鍵次數(shù)，判斷電路設(shè)計和軟件實現(xiàn)是否正確。仿真效果如圖3所示。

圖3 仿真效果圖

5.6 進(jìn)階實驗

上面完成了實驗的基礎(chǔ)部分，偏向于驗證性實驗，沒有發(fā)揮出學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性。由于PC與單片機的通信在智能制造生產(chǎn)實踐中應(yīng)用廣泛，可以安排學(xué)生自行上網(wǎng)查詢資料，完成基于RS232總線的PC與單片機通信仿真實驗，以鍛煉學(xué)生運用互聯(lián)網(wǎng)收集資料的能力和自主設(shè)計的創(chuàng)新能力，進(jìn)一步提升學(xué)生的實踐能力。

6 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)的引入可以有效解決總線技術(shù)課程中實驗實訓(xùn)難以開展、效果不佳的問題，虛擬實驗演示對提升理論教學(xué)效果也有一定幫助。本文以Proteus+Keil構(gòu)建虛擬仿真平臺，讓學(xué)生可以打破時間、空間、實驗器材的限制，隨時隨地開展虛擬仿真實驗，對于增加學(xué)生實踐時長、鍛煉學(xué)生創(chuàng)造性、提升學(xué)生實際動手能力有巨大的作用。