單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

摘 要：單片機(jī)是電子工程專業(yè)的一門關(guān)鍵學(xué)科，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，因此在單片機(jī)教學(xué)過程中，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮著重要的作用。但是就目前而言，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)存在著很多問題，通常情況下只配置了數(shù)量有限的硬件設(shè)備，不能提供數(shù)量足夠的仿真器、編程器、實(shí)驗(yàn)電路等設(shè)備，在理論課堂中也沒有足夠的輔助軟件協(xié)助教學(xué)，缺乏軟環(huán)境的建設(shè)，在設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方面也沒有做出相應(yīng)的重視。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)室；建設(shè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.096

0 引言

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，原理性非常抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難，因此需要開設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程輔助教學(xué)，通過大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目幫助學(xué)生更好的理解課程理論知識(shí)，同時(shí)不斷提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，讓學(xué)生真正掌握單片機(jī)在實(shí)際生活中的運(yùn)用。近年來，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真單片機(jī)的建設(shè)已經(jīng)在高校得到了廣泛的應(yīng)用。

1 仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案

1.1 傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的不足

在傳統(tǒng)的的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)校需要投入大量的資金建設(shè)各項(xiàng)設(shè)備，隨著高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，需要建設(shè)大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，者對學(xué)校來說是非常困哪的，很多單片機(jī)教學(xué)儀器和設(shè)備都得不到及時(shí)的配置和更新，一些硬件設(shè)備還停留在比較落后的階段。此外，由于儀器設(shè)備的重復(fù)使用，很多儀器容易老化和發(fā)生故障，而對儀器設(shè)備的維護(hù)和維修力度不夠。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容往往局限了一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏對學(xué)生自主探究能力的提高和培養(yǎng)。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生通常是在教師的引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)步驟，從而掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能。通過這種實(shí)驗(yàn)方式，雖然學(xué)生對于單片機(jī)技術(shù)有一定的了解，同時(shí)也掌握了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能，在一定程度上提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。但是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，依然沒有進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，無論是實(shí)驗(yàn)步驟還是實(shí)驗(yàn)探究目的都是固定的，學(xué)生并沒有經(jīng)過自身的思考，對于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力并沒有多大幫助。

1.2 仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢

考慮到傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的多種問題，基于仿真軟件的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的運(yùn)用越來越廣泛。通過單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室，很多仿真的實(shí)驗(yàn)和工作都可以在軟件的環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)，不僅使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加便捷，同時(shí)還可以減少單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的大量資金，解決了資金不足的困境。仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是以 Proteus 為軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)制作的一套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在這套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，主要包括LCD 模塊、數(shù)碼顯示模塊、板上集成 LED 模塊、鍵盤模塊、串口通信模塊和蜂鳴器模塊等，可以實(shí)現(xiàn)串口通信系統(tǒng)、I/O 口設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用等。在仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以從簡單到困難掌握單片機(jī)技術(shù)，通過對復(fù)雜項(xiàng)目的分解，可以幫助學(xué)生更直觀的認(rèn)識(shí)、更好的理解。在仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的所有功能，此外，還可以提供開放性實(shí)驗(yàn)的服務(wù)，學(xué)生可以利用自己所掌握的知識(shí)設(shè)計(jì)自己的電子產(chǎn)品。

1.3 Proteus 軟件的強(qiáng)大功能

Proteus 軟件是混合電路仿真軟件，具有數(shù)字電路、模擬電路和模/數(shù)混合電路的仿真平臺(tái)和設(shè)計(jì)平臺(tái)，也是多種型號(hào)微控制器系統(tǒng)的仿真平臺(tái)和設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過Proteus 軟件，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)等。Proteus 軟件主要有兩個(gè)部分組成，智能原理圖輸入、模擬系統(tǒng)和高級(jí)布線及編輯軟件。Proteus 軟件具有非常強(qiáng)大的功能，可以提供非常豐富的元器件庫，共有三十多個(gè)庫共八千多個(gè)元器件，具有數(shù)字電路、模擬電路的仿真，用戶主要通過單機(jī)鼠標(biāo)、可調(diào)電阻和電位器等外設(shè)的模型，就可以根據(jù)輸入的信號(hào)使單片機(jī)做出對應(yīng)的響應(yīng)，并且將處理結(jié)果顯示在動(dòng)態(tài)的顯示器中，從而是吸納了用戶和系統(tǒng)的交互性仿真。其次，Proteus 軟件還可以提供多種虛擬儀器和各種調(diào)試信號(hào)，例如信號(hào)發(fā)生器、示波器以及顯示設(shè)備，從而使系統(tǒng)的仿真調(diào)試更加方便。除此之外，Proteus 軟件還可以支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，比傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)班支持的系統(tǒng)和芯片要多的多。Proteus軟件具有調(diào)試功能，具有設(shè)置斷點(diǎn)、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。Proteus軟件還具有PCB設(shè)計(jì)功能和原理圖繪制功能，可以生成多種不同形式的文件，并且提供專用的PCB設(shè)計(jì)工具，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程

在構(gòu)建仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的過程中，主要包括四個(gè)方面的過程，Proteus仿真軟件的安裝運(yùn)行、設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的硬件電路、由Proteus仿真軟件提供實(shí)驗(yàn)室資源和Proteus仿真軟件的調(diào)試。

2.1 Proteus仿真軟件的安裝運(yùn)行

Proteus仿真軟件的安裝是在默認(rèn)的目錄下完成的，安裝完成之后就是要運(yùn)行Proteus仿真軟件的ISIS程序。ISIS程序的運(yùn)行是在仿真軟件的主頁面上，將system下的圖形、顏色以及view菜單下的捕捉等設(shè)置好。選擇工具欄中的p命令，此時(shí)就可以在pick devices的窗口中選擇實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建需要使用的元件，并將這些元件放置在相應(yīng)的位置，設(shè)置好元件的參數(shù)，并將不同的元器件之間用線連接。完成之后，則需要在source菜單下選擇Define code generation tools菜單命令，選擇編譯程序的方法、擴(kuò)展名和工具等，在source菜單命令下加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序，通過一定的命令仿真電路和程序的具體運(yùn)行情況。用debug菜單下的execute菜單項(xiàng)或F12快捷鍵啟動(dòng)程序使其運(yùn)行，選擇debug菜單下的pause 健或者pause animation菜單項(xiàng)使系統(tǒng)的運(yùn)行暫停，而debug菜單下的stop animation菜單項(xiàng)則可以使系統(tǒng)的運(yùn)行停止。

2.2 設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的硬件電路

設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的硬件電路需要從兩個(gè)方面來完成，包括系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置。系統(tǒng)配置主要是按照系統(tǒng)的實(shí)際要求來對外周設(shè)備進(jìn)行配置，并且設(shè)計(jì)合適的電路接口。系統(tǒng)擴(kuò)展是當(dāng)單片機(jī)自身的功能單元不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需求時(shí)使用的功能，例如單片機(jī)的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等功能單元不能滿足系統(tǒng)的需求，就需要在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇合適的芯片設(shè)計(jì)電路，從而使容量滿足系統(tǒng)的需求。

2.3 Proteus仿真軟件提供實(shí)驗(yàn)室資源

Proteus仿真軟件提供的實(shí)驗(yàn)室資源主要有三個(gè)方面的資源，主要包括元件庫、虛擬測量工具箱和圖形顯示功能模塊。Proteus仿真軟件可以提供三十多個(gè)元件庫，共有八千多個(gè)元器件。元件庫主要包括二極管、三極管、電阻、電路和電容、交流電路、直流電路等各種元器件的元件庫。正是因?yàn)镻roteus仿真軟件可以提供豐富的元器件庫，因此在進(jìn)行原理布圖時(shí)，只需要通過對應(yīng)的元器件之間的連線和調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)，正確的設(shè)置每一個(gè)元件的屬性，就可以完成整個(gè)原理的繪圖，接下來就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和虛擬測量了。

Proteus仿真軟件提供的虛擬測量工具箱就是提供虛擬測量功能的工具，在單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室中，儀器儀表的測量工作是一個(gè)非常關(guān)鍵的工作，因此必須要具備一定數(shù)量的測量工具，包括各種類型的，才能保證對不同測量要求都可以進(jìn)行測量工作，為了保證測量的精密度，還需要保證工具箱的質(zhì)量。Proteus仿真軟件的虛擬工具箱具有電路測試中常見的工具和儀器，在仿真測量的過程中，可以對相關(guān)的電路參數(shù)進(jìn)行觀測，并且在測量過程中還可以實(shí)時(shí)觀查測量的結(jié)果。

Proteus仿真軟件還具有圖形顯示功能模塊，可以通過圖形的形式將線路上的變化信號(hào)顯示出來，作用好示波器的功能差不多，但是比示波器的功能更強(qiáng)大。操作人員可以利用圖形顯示功能模塊觀察電路的運(yùn)行情況。

2.4 Proteus仿真軟件的調(diào)試

Proteus仿真軟件提供了多種測量信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)硬件電路的測量和測試，這些測量信號(hào)主要包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。Proteus仿真系統(tǒng)中具有調(diào)試功能，具有設(shè)置斷點(diǎn)、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。雖然Proteus 軟件不支持C語言，但是卻可以連接C語言 KeilC51 集成開發(fā)環(huán)境，可以將C語言編寫的程序使用匯編進(jìn)行編譯，然后進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。

3 結(jié)語

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已經(jīng)成為了高校人才培養(yǎng)的新方向，仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建避免了傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)缺點(diǎn)，滿足了學(xué)生對單片機(jī)教學(xué)大量實(shí)驗(yàn)的要求，并且可以有效減少學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的資金投入，不用過多的考慮單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材的維護(hù)和保養(yǎng)問題等，取得比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室更好的實(shí)踐效果，提高學(xué)生單片機(jī)實(shí)踐能力和應(yīng)用能力。

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作者簡介：楊博（1981-），男，湖南常德人，本科。