Proteus虛擬仿真在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

徐 陽(yáng) （長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

徐愛(ài)鈞 （長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

目前，單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為普遍的手段，廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、以及工業(yè)測(cè)量與過(guò)程控制等領(lǐng)域［1］。為此，國(guó)內(nèi)許多高等院校都將單片機(jī)列為電子信息類專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)課程。在傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中，教師在課堂上以純理論方式講解單片機(jī)片的硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程，這些知識(shí)往往比較枯燥，學(xué)生難以理解消化，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。另外，教師在講授時(shí)，通常將軟件與硬件相對(duì)獨(dú)立地呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生無(wú)法從整個(gè)系統(tǒng)的角度去理解單片機(jī)軟、硬件結(jié)合技術(shù)，尤其涉及硬件的一些操作，譬如I／O口控制、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器控制等，如果只進(jìn)行理論分析，很難獲得好的教學(xué)效果［2］。為此，筆者對(duì)Proteus虛擬仿真在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

圖1 單片機(jī)匯編指令功能的虛擬仿真圖

1 單片機(jī)匯編指令功能的虛擬仿真

由于8051單片機(jī)總共有111條匯編指令，因而熟練掌握匯編指令對(duì)于提高學(xué)生的編程能力具有十分重要的作用［3］。傳統(tǒng)教學(xué)模式是對(duì)匯編語(yǔ)言程序逐條進(jìn)行原理講解，但學(xué)生難以理解指令的執(zhí)行過(guò)程及其功能，尤其是講解匯編語(yǔ)言程序時(shí)，如果學(xué)生對(duì)其中一條指令沒(méi)有弄清楚，則對(duì)整個(gè)程序都不能理解。為此，利用Proteus的虛擬仿真功能來(lái)解決上述問(wèn)題。首先繪出單片機(jī)系統(tǒng)硬件原理電路圖，然后裝入編譯好的匯編語(yǔ)言程序hex文件，啟動(dòng)虛擬仿真，單擊Debug下拉菜單打開(kāi)源代碼窗口和CPU寄存器窗口，從源代碼窗口可以清楚地看到指令地址、指令代碼以及指令助記符等，以單步、斷點(diǎn)、全速等方式逐條執(zhí)行匯編指令，從CPU寄存器窗口可以看到每執(zhí)行一條指令對(duì)CPU狀態(tài)和工作寄存器的影響，這樣學(xué)生可以形象直觀地理解指令的執(zhí)行過(guò)程及其功能 （見(jiàn)圖1）。

2 利用Proteus虛擬儀表觀察仿真結(jié)果

Proteus軟件中提供了示波器、信號(hào)發(fā)生器、電壓／電流表、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、虛擬終端、邏輯分析儀等多種虛擬儀表，啟動(dòng)仿真后可以直接從虛擬儀表觀察輸出狀態(tài)，若對(duì)輸出結(jié)果不滿意可以隨時(shí)修改元器件參數(shù)，或者根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用不同元器件，重新啟動(dòng)仿真，直到滿意為止［4］。例如，采用單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)器和輸入輸出端口產(chǎn)生周期為4μs的方波，應(yīng)用Proteus虛擬示波器觀察結(jié)果，通過(guò)調(diào)整示波器上幅度和時(shí)間旋鈕，可以清楚地看到輸出波形的周期能夠滿足要求 （見(jiàn)圖2）。由于在PC機(jī)上修改軟件程序比修改實(shí)際硬件電路板要容易得多，因此應(yīng)用虛擬仿真進(jìn)行單片機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)十分方便，而且教師在授課過(guò)程中可以通過(guò)大屏幕直接進(jìn)行演示，相比采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)，可以獲得事半功倍的效果。

圖2 利用Proteus虛擬儀表觀察仿真結(jié)果圖

3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬仿真

以一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬仿真為例 （見(jiàn)圖3），其采用8051單片機(jī)和日歷時(shí)鐘芯片DS1302設(shè)計(jì)一種電子萬(wàn)年歷，通過(guò)按鍵進(jìn)行日歷時(shí)間設(shè)置；顯示器采用點(diǎn)陣圖形液晶模塊，能夠用漢字同時(shí)顯示公歷、農(nóng)歷、屬相和星期。軟件程序采用C語(yǔ)言分模塊編寫(xiě)，包括主模塊main.c、日歷時(shí)鐘模塊ds1302.c、年歷轉(zhuǎn)換模塊lunar.c，液晶顯示模塊12864.h和字模模塊model.h。在8051單片機(jī)片內(nèi)RAM中開(kāi)辟80H～8CH單元作為萬(wàn)年歷的秒、分、時(shí)、日、月、星期和年計(jì)時(shí)單元，并設(shè)定初始時(shí)間和初始日期。從仿真結(jié)果來(lái)看，液晶顯示器的輸出能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

Proteus還提供對(duì)器件工作波形時(shí)序的圖文仿真。圖4所示為DS1302與8051之間以同步方式進(jìn)行單字節(jié)串行數(shù)據(jù)傳送的波形時(shí)序。SCLK為串行通信的位同步時(shí)鐘，一個(gè)SCLK脈沖傳送一位數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)傳送都以字節(jié)為單位，低位在前，高位在后，傳送一個(gè)字節(jié)需要8個(gè)SCLK脈沖。在RST＝1期間，8051單片機(jī)先向DS1302發(fā)送一個(gè)命令字節(jié)，緊接著發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，DS1302在接收到命令字節(jié)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的片內(nèi)地址或從該地址讀取數(shù)據(jù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程通過(guò)Proteus圖文仿真清楚地顯示出來(lái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用Proteus進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，學(xué)生可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)源碼級(jí)的仿真調(diào)試，配合各種虛擬儀表來(lái)展現(xiàn)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，很好地解決了單片機(jī)課堂教學(xué)中軟件和硬件無(wú)法很好結(jié)合的難題。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，利用Proteus虛擬仿真進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，不僅能使學(xué)生更好地掌握相關(guān)原理知識(shí)，還能從工程應(yīng)用角度直接觀察整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的工作情況，從而使單片機(jī)課程教學(xué)過(guò)程變得形象生動(dòng)，這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而獲得良好的教學(xué)效果。

圖3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬仿真圖

圖4 DS1302單字節(jié)數(shù)據(jù)傳送波形時(shí)序的圖文仿真圖

［1］徐愛(ài)鈞 .單片機(jī)原理實(shí)用教程——基于Proteus虛擬仿真 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］王普 .基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)改革 ［J］.景德鎮(zhèn)高專學(xué)報(bào)，2011（12）：4－5.

［3］喬建華，李臨生，田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析 ［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008（3）：70－73.

［4］高強(qiáng)，倪維晨，谷海青 .基于Proteus設(shè)計(jì)電子臺(tái)歷的單片機(jī)教學(xué) ［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（7）：88－90.