基于Proteus 和Keil 的單片機(jī)課程教學(xué)模式改革

姚存治

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是各工科院校電類專業(yè)的一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容包括單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、片內(nèi)資源(如中斷系統(tǒng))、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、匯編語言、C51 編程語言以及單片機(jī)接口技術(shù)，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)中，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是在不同的場(chǎng)地進(jìn)行:在教室進(jìn)行理論教學(xué)，頂多是借助于多媒體，輔以一定的動(dòng)畫教學(xué);在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般是用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱，只需進(jìn)行少量的硬件連線，輸入程序即可進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。長期以來，這樣的理論教學(xué)方法單一，抽象枯燥難懂;實(shí)驗(yàn)教學(xué)可操作性差，課程設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新，加之學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致教學(xué)效果欠佳。單片機(jī)課程枯燥深?yuàn)W，致使很多學(xué)生由最初對(duì)專業(yè)的滿腔熱情變得失去興趣，考試不及格、繼而荒廢學(xué)業(yè)。

針對(duì)單片機(jī)課程的特點(diǎn)以及在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的難點(diǎn)，筆者逐漸摸索出一套行之有效的方法:在教室上課時(shí)，使用多媒體投影，進(jìn)行理論講授時(shí)，比較抽象的地方用自己做的FLASH 動(dòng)畫幫助學(xué)生理解，需要看程序運(yùn)行后硬件實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的利用Proteus 軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，利用Keil 軟件進(jìn)行匯編程序或C51程序的編寫和編譯，然后將編譯后的HEX 文件和原理圖中的單片機(jī)關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，可直觀形象地看到和實(shí)際試驗(yàn)設(shè)備一樣的結(jié)果。單片機(jī)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，里面涉及到的硬件和軟件綜合的例子非常多，只在課堂上進(jìn)行理論講授學(xué)生是很難理解接受的。采用這個(gè)模式，方便靈活，隨時(shí)可以畫出需要的硬件電路，隨時(shí)可以編寫出相應(yīng)的程序，然后聯(lián)合調(diào)試看運(yùn)行結(jié)果。這就徹底改變了傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)場(chǎng)地分開的模式。經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的嘗試，取得了非常好的教學(xué)效果。

一、Proteus 和Keil 軟件簡介

Proteus 軟件是英國Labcenter electronics 公司出版的EDA 工具軟件(仿真軟件)。它不僅具有其它EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB 設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和MSP430 等，2010 年又增加了Cortex 和DSP 系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil 和MPLAB 等多種編譯器。

Keil 公司是一家業(yè)界領(lǐng)先的微控制器(MCU)軟件開發(fā)工具的獨(dú)立供應(yīng)商。Keil 公司由兩家私人公司聯(lián)合運(yùn)營，分別是德國慕尼黑的Keil Elektronik GmbH 和美國德克薩斯的Keil Software Inc。Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil 提供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。在這個(gè)集成環(huán)境中，用戶可使用C 語言或匯編語言編程。

二、Proteus 和Keil 在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

筆者將EDA 軟件Proteus 仿真技術(shù)引入教學(xué)，使用Proteus 軟件中的ISIS 畫出單片機(jī)的硬件系統(tǒng)原理圖，通過多媒體直觀地展示電路的仿真，形象逼真地講解單片機(jī)各應(yīng)用系統(tǒng)的搭建;使用Keil 軟件編寫C 語言或匯編語言程序并編譯輸出HEX 文件，讓原理圖中的單片機(jī)和HEX 文件關(guān)聯(lián)，可以在ISIS 中進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，控制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作。學(xué)生可以清晰直觀地觀察到程序運(yùn)行后的現(xiàn)象、單片機(jī)的管腳輸出狀態(tài)及各種指示燈情形，從感性上加深對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的理解，直觀地掌握教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效果與效率。

下面以筆者講授LED8 段數(shù)碼管接口技術(shù)為例來展現(xiàn)這嶄新的課堂授課模式。

首先，借助自己制作的FLASH 課件，進(jìn)行LED顯示器結(jié)構(gòu)、工作原理、靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示的講述。圖1 是課件中的一個(gè)頁面，講述的是動(dòng)態(tài)顯示的結(jié)構(gòu)和分時(shí)顯示原理。

圖1 LED 顯示器的動(dòng)態(tài)掃描顯示

接下來，在Proteus 中畫出一個(gè)具體例子:帶年、月、日、時(shí)、分、秒的16 位LED 電子鐘。ISIS 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是可以虛擬模型仿真，里面有大量的非常逼真的虛擬模型，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真、動(dòng)態(tài)仿真、IIC 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和LED、LCD 系統(tǒng)仿真的功能;提供了多種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等;多種顯示設(shè)備，如模擬儀表、數(shù)字儀表、串口終端、噪聲與失真信號(hào)顯示器等;還有各種調(diào)試信號(hào)，直流、交流、脈沖及各種變化信號(hào)等，極大地方便了仿真調(diào)試。

圖2 16 位LED 顯示器硬件原理圖

然后，在Keil 中進(jìn)行匯編程序的設(shè)計(jì)。Keil 中可非常方便地進(jìn)行C51 語言和匯編語言程序的編寫和編譯。如圖3 所示。

圖3 Keil 輸入程序界面

對(duì)應(yīng)的部分程序如下:

將程序編譯后得到HEX 文件，在ISIS 中將單片機(jī)和此文件關(guān)聯(lián)。如圖4 所示。

圖4 ISIS 中單片機(jī)關(guān)聯(lián)HEX 文件界面

最后，點(diǎn)擊Debug 工具條上的Play 按鈕，可非常直觀地看到程序運(yùn)行后LED 的顯示情況。如圖5 所示。能看到單片機(jī)管腳電平的實(shí)時(shí)變化情況。

圖5 程序運(yùn)行后LED 的顯示界面

在調(diào)試過程若不滿足預(yù)定的功能，則需要進(jìn)行修改，硬件方面的修改可以直接在Proteus 中進(jìn)行，軟件問題則需要返回到Keil 中進(jìn)行修改，再次進(jìn)行編譯調(diào)試，然后重新導(dǎo)入、運(yùn)行觀察現(xiàn)象，如此反復(fù)，直到滿足控制要求為止。在這個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，因?yàn)橛布娐肥鞘褂肞roteus 仿真環(huán)境搭建的，可以隨意修改，這比以往的實(shí)際硬件連接改變接線、更換元器件容易得多，且不需要成本，并且可以在教室里進(jìn)行，這是使用Proteus 進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)的最大優(yōu)勢(shì)。

三、結(jié)束語

使用Proteus 軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，用Keil 軟件進(jìn)行C51 程序或匯編程序的編寫和編譯，在ISIS中將原理圖中的單片機(jī)和編譯后的HEX 文件關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，使學(xué)生直觀形象地看到一個(gè)個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，很好地解決了單片機(jī)教學(xué)中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)場(chǎng)地分開的弊端，方便靈活，只要有投影儀的教室都可實(shí)現(xiàn)這樣的教學(xué)模式。實(shí)踐證明，此教學(xué)模式極大地改變了學(xué)生對(duì)抽象復(fù)雜的單片機(jī)理論知識(shí)和應(yīng)用系統(tǒng)的理解程度，取得了非常好的教學(xué)效果。

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