單片機虛擬實驗室的建立

單片機虛擬實驗室的建立
單片機課程是機電、自動化等專業(yè)的一門重要課程，可以充分體現(xiàn)學生利用已學知識解決實際工程問題的能力。由于該學科是多基礎(chǔ)、多理論的實踐性學科，在教學過程中必須軟件硬件結(jié)合，因此有學生感到難學，教師感到難教這樣的尷尬。
現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進了計算機技術(shù)在軟件和硬件上的飛速發(fā)展，利用計算機軟件的仿真技術(shù)，可以充分地仿真諸如電路的工作等實際的工程問題。作者無意中找到一款軟件Proteus，解決了許多的問題，而單片機虛擬實驗室也是以該軟件為核心建立起來的。

1 實驗的組織
在單片機的理論教學和實驗中，所涉及到的內(nèi)容包括了四方面，即單片機系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。因此教師在進行教學時，應(yīng)該充分考慮課程的特點并作合理的模塊劃分，在每次實驗課程前作適當?shù)臏蕚涔ぷ?，以使教學任務(wù)能集中和突出。以下例子中所涉及到的單片機均為51 系列。

(1)系統(tǒng)資源的實驗教學
任何一種單片機均提供了一定的系統(tǒng)資源。對于51 系列單片機來講，其所提供的資源是以寄存器和存儲器的方式體現(xiàn)出來的。對于寄存器內(nèi)容的查看，可以采用多種可以模擬仿真51 單片機的軟件來實現(xiàn)。對于Proteus 軟件來講，可以執(zhí)行在debug 菜單下registers 菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。對于系統(tǒng)內(nèi)部存儲器的查看，同樣是執(zhí)行debug 菜單下的 internal memory 菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。

(2)軟件技術(shù)
在軟件技術(shù)的實驗中所涉及到的內(nèi)容主要包括對語言中具體語句的執(zhí)行效果驗證、算法的具體實現(xiàn)、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內(nèi)容。對于純軟件的實驗教學內(nèi)容，教師在實驗設(shè)置時應(yīng)充分考慮到學生的能力并作好具體的準備工作，以達到預(yù)期的教學目的。
例如，對于兩個16 位二進制數(shù)的乘法運算R4R5×R6R7=R3R4R5R6R7 的匯編語言實現(xiàn)。為了較為直觀地驗證程序執(zhí)行的正確性，教師在之前應(yīng)該設(shè)計一個硬件電路，能完成數(shù)據(jù)的輸入(帶顯示)和結(jié)果的輸出(顯示)，并設(shè)計主程序、bcd 碼到二進制的轉(zhuǎn)換、二進制碼到bcd 碼的轉(zhuǎn)換、bcd 碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換、顯示等程序的設(shè)計，學生只在實驗中進行乘法運算的算法設(shè)計并作為子程序加入系統(tǒng)中即可。

(3)硬件接口電路
單片機的接口電路所涉及到的知識涵蓋了電子電路設(shè)計的相關(guān)領(lǐng)域，也涉及到單片機應(yīng)用系統(tǒng)具體的工作需要。接口電路部分涉及到線路的連接、元器件的選擇、工作方式的設(shè)置、電路工作的穩(wěn)定性和可靠性、電路的空間需求等等許多方面的知識和內(nèi)容；但就學生實驗來講，所涉及到的并不需要這么全面。作為Proteus 仿真軟件，其仿真電路時所模擬的元件真實工作情況，和單片機應(yīng)用系統(tǒng)的實際工作環(huán)境還是有一定的差別。因此只能根據(jù)教學的需要，讓學生自行設(shè)計電路并設(shè)置其工作方式。其實驗可以通過兩種方式組織實施，一是根據(jù)具體的要求，讓學生設(shè)計接口電路并編寫相應(yīng)的程序；一是根據(jù)程序的要求，設(shè)計單片機接口電路。例如，對于鍵盤輸入和顯示(數(shù)碼管)接口電路的設(shè)計，可以采用比較多的方法來實現(xiàn)。選擇何種方法，與鍵盤中鍵的數(shù)量和數(shù)碼管的個數(shù)以及顯示的方式等都有關(guān)系。選擇一種采用幾種方法都能實現(xiàn)的鍵盤鍵數(shù)(如12 個)和顯示位數(shù)(如4 位或4 位半)，提出具體的諸如必須預(yù)留的口地址、成本控制等要求，讓學生自行設(shè)計接口電路。當然，對于如A/D 轉(zhuǎn)換等接口電路的設(shè)計，教師應(yīng)該在事先設(shè)計出單片機電路的其它部分，并以模塊的方式進行處理，給學生提供電路的接口信號。

(4)軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)
軟件和硬件的結(jié)合，就是一個單片機的應(yīng)用系統(tǒng)了。這一步的實驗可以在課程設(shè)計中以課題的方式提出來處理，也可以將其分解成不同的接口部分在接口電路的多次實驗中分次完成。在這一階段，硬件電路的設(shè)計已經(jīng)不是最為關(guān)鍵的了，而軟件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和運行才是實驗的主要內(nèi)容。因此可以以建議性的意見給出具體的硬件電路，并提出該電路所需要完成的具體工作，由學生進行軟件的設(shè)計和調(diào)試。

(5)觀摩實驗
學生自行設(shè)計的硬件系統(tǒng)和軟件，一般存在著某方面的不足，當給出了相應(yīng)的實驗設(shè)計任務(wù)后，學生就算能順利的完成，但其中所涉及到的有些方式方法并不能在自己的設(shè)計中充分領(lǐng)悟。Protues 系統(tǒng)提供了相應(yīng)的一些范例，比如單片機系統(tǒng)中的計算器示例，當教師講述了其中涉及到的所有(子)程序的功能并將其
合理地組織在一起的時候，結(jié)合該系統(tǒng)的硬件，將對學生進行程序的設(shè)計和系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法，產(chǎn)生比較大的影響。

2 用Proteus 軟件虛擬單片機實驗的優(yōu)點
采用Proteus 仿真軟件進行虛擬單片機實驗，具有比較明顯的優(yōu)勢，如涉及到的實驗實習內(nèi)容全面、硬件投入少、學生可自行實驗、實驗過程中損耗小、與工程實踐最為接近等。當然其存在的缺點也是有的。

(1)內(nèi)容全面
內(nèi)容全面包括其能實驗的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C51 等語言的調(diào)試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型。對同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來搭建完成，因此采用Protues 仿真軟件進行實驗教學，克服了用單片機實驗教學板教學中硬件電路固定、學生不能更改、實驗內(nèi)容固定等方面的局限性，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。

(2)硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯對于傳統(tǒng)的采用單片機實驗教學板的教學實驗，由于硬件電路的固定，也就將單片機的CPU 和具體的接口電路固定了下來。在單片機的實際教學中，如果要涉及到51 系列，也要涉及到PIC16 系列，那么為了教學必然要投入兩種單片機的實驗教學板；同時在教學過程中所涉及到的接口電路，也需要有較大的投入和儲備，以利于實驗的進行和在實驗過程中元件損毀后的更換。Protues 所提供的元件庫中，大部分可以直接用于接口電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟的。如果在實驗教學中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學，其經(jīng)濟優(yōu)勢是比較明顯的。
(3)學生可自行實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力
實驗?zāi)芰蛯嶒炘O(shè)計能力的培養(yǎng)，是工科學生解決實際工程問題能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實驗教學中，忽視了學生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對于實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，則很少涉及到。因此學生學習了理論，要想將其應(yīng)用到實際的工程實踐中，其難度是比較大的。還有，學生畢業(yè)后想對單片機控制技術(shù)或智能儀表等有較深的研究和學習，如果采用傳統(tǒng)的實驗教學方法，則學生需要購置的設(shè)備比較多，增加了他們學習和研究的投入。采用仿真軟件后，學習的投入變得比較的小，而實際工程問題的研究，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進行硬件的投入，這樣處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。
(4)實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題
在傳統(tǒng)的實驗教學過程中，都涉及到因操作不當而造成的元器件和儀器儀表的損毀，也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗。采用Protues 仿真軟件進行的實驗教學，則不存在上述的問題，其在實驗的過程中是比較安全的。
(5)與工程實踐最為接近，可以了解實際問題的解決過程
在進行課程設(shè)計或進行大實驗的時候，可以具體的在Protues 中做一個工程項目，并將其最后移植到一個具體的硬件電路中，讓學生了解將仿真軟件和具體的工程實踐如何結(jié)合起來，利于學生對工程實踐過程的了解和學習。
(6)大量的范例，可供學生參考處理
在系統(tǒng)的設(shè)計時，存在對已有資源的借鑒和引用處理，而該仿真系統(tǒng)所提供的較多的比較完善的系統(tǒng)設(shè)計方法和設(shè)計范例，可供學生參考和借鑒。同時也可以在原設(shè)計上進行修改處理。
(7)協(xié)作能力的培養(yǎng)和鍛煉
一個比較大的工程設(shè)計項目，是由一個開發(fā)小組協(xié)作完成的。了解和把握別人的設(shè)計意圖和思維模式，是團結(jié)協(xié)作的基礎(chǔ)。在Proteus 中進行仿真實驗時，所涉及到的內(nèi)容并不全是學生獨立設(shè)計完成的，因此對于鍛煉學生的團結(jié)協(xié)作意識，是有好處的。