“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的Proteus輔助課堂教學(xué)

張朝龍，李彥梅，江善和，吳文進(jìn)，徐文權(quán)，楊偉，陳世軍

（安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133）

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的Proteus輔助課堂教學(xué)

張朝龍，李彥梅，江善和，吳文進(jìn)，徐文權(quán)，楊偉，陳世軍

（安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133）

單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，故高校工程類專業(yè)普遍開設(shè)了“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程。針對(duì)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程存在高級(jí)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不足和實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)較少的問題，提出應(yīng)用Proteus軟件，在理論教學(xué)時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)基于Msp430單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的全過程。在課堂上應(yīng)用Proteus軟件，可有效解決當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，幫助學(xué)生掌握利用單片機(jī)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的方法。

單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；Proteus

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為控制器的嵌入式系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)加工、交通控制、軍事電子和航空航天等方面[1-2]。對(duì)于自動(dòng)化、電子和機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)和掌握以單片機(jī)為控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有助于其畢業(yè)后面對(duì)以智能制造為核心的中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0時(shí)代的挑戰(zhàn)[3-4]。

為了幫助自動(dòng)化、電子和機(jī)械專業(yè)的學(xué)生更好地掌握單片機(jī)技術(shù)，本院開設(shè)了“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程，該課程以“電路分析基礎(chǔ)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程為基礎(chǔ)，以掌握實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)為目標(biāo)，主要介紹單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，教導(dǎo)學(xué)生掌握以單片機(jī)為處理器的嵌入系統(tǒng)軟硬件組成及調(diào)試手段。然而，在課程教學(xué)中，學(xué)生可接觸到的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般為8051處理器，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間較少，故學(xué)生較難掌握以單片機(jī)為控制器的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

Proteus軟件是Lab Center Electronics公司的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具軟件，具有原理圖布圖、代碼調(diào)試、單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真等功能，其支持的處理器包括8051，HC11，PIC3，AVR，ARM，8086，MSP430，Cortex和DSP系列處理器。針對(duì)高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一和實(shí)驗(yàn)時(shí)間少的問題，可以利用Proteus軟件對(duì)多處理器平臺(tái)進(jìn)行仿真。這種仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以在理論課上進(jìn)行，通過多媒體演示嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，這樣學(xué)生可以學(xué)習(xí)到多種處理器類型，又不占用學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

下面以基于Msp430單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器為例演示Proteus軟件的課堂教學(xué)過程[5]?；趩纹瑱C(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。教學(xué)時(shí)先介紹MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)和信號(hào)發(fā)生器的作用，然后說明本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。MSP430單片機(jī)的特性：處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗和片內(nèi)資源豐富。信號(hào)發(fā)生器的主要作用：在教學(xué)和科研中作為信號(hào)源，還可作為相對(duì)較高性能的網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀及其他自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的組成部分。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：低功耗、簡(jiǎn)單和性能優(yōu)良，可用于不同需求的低頻信號(hào)源。

1 硬件設(shè)計(jì)

在課堂教學(xué)時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)畫出基于Msp430單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的仿真電路。在仿真設(shè)計(jì)中，以MSP430F249單片機(jī)為控制核心，外圍采用數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路DAC0832、運(yùn)放電路、按鍵模塊和液晶顯示屏模塊LM016L等構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。MSP430F249單片機(jī)P2.0~P2.7端口外接LCD1LM016L液晶顯示屏的D0~D7雙向數(shù)據(jù)線，P6.3~P6.5分別外接液晶顯示屏的RS端，RW端和E端，用于控制輸入時(shí)序和使能端。單片機(jī)P4.0~P4.7端口分別外接轉(zhuǎn)換器的DI0~DI7，實(shí)現(xiàn)將數(shù)字信號(hào)輸入給DAC0832。單片機(jī)P3.2~P3.5端口外接4個(gè)按鍵，構(gòu)成了按鍵控制模塊。整體仿真原理如圖1所示。其中key1鍵是對(duì)不同的波形進(jìn)行選擇，key2鍵是對(duì)波形的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，key3鍵是對(duì)波形的幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，key4鍵是額外設(shè)置的擴(kuò)展功能按鍵。通過在課堂教學(xué)時(shí)畫出仿真電路，可以使學(xué)生了解Proteus軟件的仿真電路圖畫法，為掌握該P(yáng)roteus軟件提供教學(xué)指導(dǎo)。

圖1 整體仿真原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是教學(xué)中的重要部分，在課堂上需要講述基于Msp430單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的主程序流程。首先，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化。其次，進(jìn)行按鍵掃描得到設(shè)置的默認(rèn)參數(shù)（5Hz，1.0V）的波形信號(hào)（正弦波、方波、鋸齒波和三角波），并在LM016L液晶顯示屏顯示當(dāng)前波形的參數(shù)信息。然后，再次進(jìn)行按鍵掃描，進(jìn)一步判斷是否得到需要更改波形的頻率或者幅值大小的指令，如果檢測(cè)到要改變頻率的指令，將定時(shí)器A中的CCRO計(jì)數(shù)周期值改變即可；如檢測(cè)到需要改變波形的幅值大小，將輸給數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)值乘以一個(gè)小于等于1的比例系數(shù)即可。最后，需要分別講出產(chǎn)生各種波形的子流程，在掌握程序流程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)編程的方法。在此，由于篇幅的原因，省略各個(gè)波形的子程序流程和編程程序。

3 仿真調(diào)試

在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成的情況下，指導(dǎo)學(xué)生編譯和加載，即應(yīng)用編譯器Keil輸入程序，編譯成Hex文件，并加載于Proteus軟件中，進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的仿真和調(diào)試。

在學(xué)生學(xué)習(xí)了加載程序方法后，執(zhí)行各個(gè)波形的仿真。實(shí)例中仿真產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生器默認(rèn)顯示的是正弦波、方波、鋸齒波和三角波，如圖2~5所示。按下key2鍵即可調(diào)整頻率，再按下key3鍵即可調(diào)整幅值。

圖2 默認(rèn)設(shè)置（5 Hz，1.0 V）正弦波仿真圖

圖3 默認(rèn)設(shè)置（5 Hz，1.0V）方波仿真圖

圖4 默認(rèn)參數(shù)（5Hz，1.0V）鋸齒波仿真圖

圖5 默認(rèn)參數(shù)（5Hz，1.0V）三角波仿真圖

可以看出，實(shí)例設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器預(yù)定的各種功能，即可以通過按鍵控制產(chǎn)生預(yù)設(shè)的4種波形信號(hào)（正弦波、方波、鋸齒波、三角波），通過按鍵可以實(shí)現(xiàn)幅值和頻率的調(diào)節(jié)。

4 總結(jié)

以上即為在理論課堂應(yīng)用Proteus軟件演示一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)過程，通過這個(gè)完整的仿真過程，學(xué)生在90分鐘的時(shí)間內(nèi)，可以了解和掌握基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、編譯和加載程序等知識(shí)。將Proteus軟件應(yīng)用于工程類專業(yè)學(xué)生的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”理論課程教學(xué)，可以更加直觀地演示以單片機(jī)為控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，有效提升學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。

[1]孫亮,張倍博,文豪,等.面向嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制[J].電子制作，2014（1）：77-81.

[2]高翔.淺議自動(dòng)控制成嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)[J].商情，2011（43）：184-184.

[3]周濟(jì).智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J].中國(guó)機(jī)械工程，2015（17）：2273-2284.

[4]賀正楚,潘紅玉.德國(guó)“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025”[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2015（3）：103-110.

[5]王自珍,殳國(guó)華,張士文.基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（9）：94-97.

Auxiliary Classroom Teaching of“Single-Chip M icrocomputer Principle and Application”Using Proteus

ZHANG Chao-long，LIYan-mei，JIANG Shan-he，WUWen-jian，XUWen-quan，YANGWei，CHEN Shi-jun
(School of Physicsand Electronic Engineering，Anqing Normal University，Anqing，Anhui246133，China)

Single-chip computer is widely used in various embedded systems,so the engineering specialties of universities commonly provide"single-chip microcomputer princip le and application"course.To solve the problems of advanced microcontroller experimental platforms’deficiency and experimental teaching class’s shortage,Proteus software is used in the classroom to demonstrate designing a signal generator based on Msp430 single chip microcomputer.It can be concluded that the Proteus software used by the teacher can effectively solve the current teaching problems in"single-chip microcomputer principle and application"course,andmake studentsmaster the ability of designing embedded microcontroller system.

single-chip computer；embedded system；design；Proteus

G642

A

1007-4260(2016)04-0139-03

時(shí)間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.035.html

2016-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（51577046,51607004），安徽省自然科學(xué)基金（1608085QF157），安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2016207），安徽省高等學(xué)校自動(dòng)化省級(jí)特色專業(yè)（2015tszy020）。

張朝龍，男，安徽明光人，安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槟M和混合信號(hào)電路的故障診斷和預(yù)測(cè)。

E-mail:zhangcl@aqnu.edu.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.035