張秀國(guó)

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東珠海 519090

單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與使用

張秀國(guó)

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東珠海 519090

提出了一種單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，并通過(guò)實(shí)例闡述單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)。

單片機(jī)；Proteus軟件；Keil軟件；虛擬實(shí)驗(yàn)室

單片機(jī)課程概念原理抽象，高職學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力。而該課程實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是該課程的重要組成部分，學(xué)生需要大量的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目來(lái)深刻理解單片機(jī)的概念原理,掌握單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。要形成多操作位、高使用率的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)校在硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入是相當(dāng)可觀的，且一時(shí)也難以形成規(guī)模。另外由實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板組成的傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室仍存在以下諸多問(wèn)題，如功能單一、封閉(規(guī)定時(shí)間，規(guī)定場(chǎng)地，規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)、易落后、難管理維護(hù)等缺點(diǎn)。

一、單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)室是指用仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)和多媒體技術(shù)等在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造的可輔助、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)操作環(huán)境。Proteus和Keil是單片機(jī)仿真開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)秀軟件，是構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的最佳選擇。

1.單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件選用Proteus

Proteus仿真軟件是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供智能原理圖設(shè)計(jì)、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計(jì)功能。Proteus是目前世界上最先進(jìn)最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)；是目前惟一能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試與測(cè)試的EDA工具，真正實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有硬件電路時(shí)就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試與驗(yàn)證。

元件和儀器儀表的數(shù)量、類型，是衡量虛擬實(shí)驗(yàn)室是否合格的一個(gè)關(guān)鍵因素。Proteus軟件提供了30多個(gè)元件庫(kù)，數(shù)萬(wàn)種元件，涉及數(shù)字和模擬、交流和直流等，有示波器、邏輯分析儀、串口虛擬終端、信號(hào)發(fā)生器、交直流電壓電流表等。另外，Proteus還提供了比較豐富的電路測(cè)試信號(hào)，這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，直流信號(hào)、交流信號(hào)、脈沖信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、數(shù)字脈沖信號(hào)、數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)、音頻信號(hào)等。

2.編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil

Keil是德國(guó)Keil Software公司推出的51系列單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，Windows界面，集程序編輯、編譯和仿真等為一體，還支持匯編、C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。在程序調(diào)試、軟件仿真方面功能強(qiáng)大。很多工程師開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀程序都是在Keil的平臺(tái)上編寫出來(lái)的。

Keil調(diào)試器具備全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，并且通過(guò)設(shè)置可與Proteus聯(lián)機(jī)調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)。初學(xué)者通過(guò)使用Keil軟件工具編制、調(diào)試應(yīng)用程序，可以學(xué)到單片機(jī)的各種指令，也可以學(xué)到單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的步驟、方法和技巧。

二、單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用

以單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20構(gòu)成液晶顯示溫度計(jì)為例，介紹單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室如何通過(guò)Proteus和Keil進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如圖1所示。

1.繪制仿真電路的原理圖

啟動(dòng)Proteus ISIS 7 Professional，在Proteus元件庫(kù)中選擇所需元件，在原理圖編輯窗口繪出如圖2所示的電路原理圖。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程流程圖

圖2 DS18B20溫度傳感器輸出顯示電路及運(yùn)行效果

2.程序設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在Keil中編寫實(shí)驗(yàn)源程序，經(jīng)編譯、調(diào)試、修改后生成Hex文件。

3.模擬仿真

運(yùn)行Proteus模擬仿真軟件，打開(kāi)已經(jīng)繪制好的仿真電路原理圖，選中單片機(jī)芯片AT89C51，左鍵點(diǎn)擊AT89C51，出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的對(duì)話框，在Program File中找到編譯好的“HEX”文件，然后點(diǎn)擊“OK”就可以仿真了。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)入模擬調(diào)試狀態(tài)，觀察仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示LCD在顯示DS18B20所測(cè)量的外部溫度。

在模擬仿真成功以后，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)裝置上搭建電路進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，從而增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

三、單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)相比，基于Proteus和Keil的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.學(xué)校低投入、高回報(bào)。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和日常運(yùn)行需要大量的硬件投入，包括場(chǎng)地、儀器設(shè)備和元器件等，特別是一些綜合性實(shí)驗(yàn)，硬件成本更高。而且有些元器件屬于易耗品，使用周期較短，耗材經(jīng)費(fèi)也是一筆不小的支出。采用軟件建設(shè)的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以稱之為低投入、高回報(bào)型實(shí)驗(yàn)室。

2.教師易管理、便教研。虛擬實(shí)驗(yàn)室即使學(xué)生操作不當(dāng)，方案不正確也只有造成實(shí)驗(yàn)不成功，不會(huì)存在設(shè)備和儀器儀表的損壞問(wèn)題，這極大地降低了教師的設(shè)備管理和維護(hù)工作量。教師可以有更多的時(shí)間投入實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新研究中。

3.學(xué)生愛(ài)學(xué)習(xí)、爭(zhēng)創(chuàng)新。單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有時(shí)間、空間、硬件設(shè)備受限、無(wú)經(jīng)費(fèi)來(lái)源等條件限制，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果直觀，大大提高了學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生從以前感到枯燥乏味，到現(xiàn)在爭(zhēng)著學(xué)習(xí)，除了完成教師布置的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)外，還利用所學(xué)知識(shí)自由創(chuàng)設(shè)自己的設(shè)計(jì)思路，訓(xùn)練自己的綜合能力與創(chuàng)新能力，積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高等職業(yè)技術(shù)院校教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要組成部分，利用仿真虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，利用Proteus和Keil軟件構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室是正確選擇，但必須注意，仿真不能完全代替實(shí)物，只有將虛擬仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力。

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2010-05-03

張秀國(guó)，碩士，工程師。