基于Proteus 和Keil 的單片機課程實驗教學(xué)改革探索

任肖麗，王驥，劉思鳳

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江）

單片機作為微型計算機發(fā)展的一個重要分支，單片機課程具有實驗性強、原理抽象的特點，因此單片機實驗教學(xué)具有重要作用。為了學(xué)生更好地掌握這門課程，我院教師經(jīng)過多年教學(xué)探索，采用軟硬件結(jié)合實驗教學(xué)方式，將軟件虛擬仿真和硬件調(diào)試相結(jié)合，得到良好實驗教學(xué)效果。

一 單片機實驗教學(xué)存在問題

在高校單片機課程實驗教學(xué)中一般存在以下方面問題：（1）實驗教學(xué)模式單一。傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)通常是學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書步驟，在實驗箱上進行接線，之后在計算機中運行調(diào)試程序，這種教學(xué)模式下的實驗，會造成學(xué)生只為得到實驗結(jié)果，而忽略硬件電路和程序設(shè)計分析過程；（2）實驗內(nèi)容安排不夠合理。實驗項目多為驗證性實驗，學(xué)生只需在實驗箱上按實驗步驟接線，再運行給定程序即可完成實驗，而設(shè)計性和綜合性實驗相對較少，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力；（3）實驗成績考核制度不完善。實驗成績考核方式主要以實驗報告為主，沒有明確的科學(xué)依據(jù)，不能客觀給出學(xué)生實驗成績，削弱了學(xué)生在實驗課上設(shè)計實驗的主動性。

二 單片機實驗教學(xué)改革

針對單片機實驗教學(xué)中存在的一些弊端，總結(jié)多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗，提出以下幾點實驗教學(xué)創(chuàng)新方案。

（一）更新實驗教學(xué)方法

基于虛擬仿真軟件的單片機實驗教學(xué)越來越廣泛。通過虛擬仿真軟件，很多實驗都可以在軟件環(huán)境中得以實現(xiàn)，從而使實驗教學(xué)更加便捷。虛擬仿真單片機實驗系統(tǒng)是以Proteus[1][2]為核心，結(jié)合Keil C51[3]進行單片機課程實驗教學(xué)的軟件仿真，將虛擬仿真軟件應(yīng)用于單片機實驗教學(xué)中，可以使學(xué)生全面了解單片機系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、仿真和測試，從而能夠利用虛擬仿真獨立設(shè)計和解決實際問題。

目前廣東海洋大學(xué)單片機實驗教學(xué)采用的是軟硬件結(jié)合形式進行。其中，以Proteus 虛擬仿真工具和Keil 編譯工具為軟件設(shè)計平臺，以一種新型八位單片機實驗系統(tǒng)和實驗訓(xùn)練創(chuàng)新綜合實驗箱作為可選的硬件實現(xiàn)輔助平臺。

利用Proteus 仿真軟件可實現(xiàn)系統(tǒng)電路的虛擬仿真，操作簡單方便，結(jié)果直觀。Keil C51 軟件提供了多種調(diào)試、運行程序的方法，支持匯編語言和C 語言的源語言混合調(diào)試。學(xué)生在課余時間可以利用Proteus 繪制電路原理圖，再利用Keil 軟件調(diào)試所寫程序，無誤后可下載到Proteus 仿真電路的單片機中，隨時仿真實驗過程，如果學(xué)生實驗預(yù)習(xí)積極性不高，可以課后作業(yè)的形式來要求其完成實驗前的預(yù)習(xí)，以便在有限的實驗學(xué)時下能達到更好的實驗效果。在實驗課前繪制實驗電路并進行模擬仿真，課堂上再將仿真調(diào)試后的程序下載到實際硬件電路中，進行實驗操作，從而能更好地掌握所學(xué)知識。

作為硬件實現(xiàn)輔助平臺之一的新型八位單片機實驗系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)主要由系統(tǒng)總線單元、面包板總線擴展單元和實驗接口單元組成，實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該實驗系統(tǒng)使用Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境作為實驗系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試、開發(fā)的工具，采用單元化電路，所有實驗資源完全開放給用戶，支持“驗證式、模仿式、探索式和開發(fā)式”四種實驗方法的綜合運用，可以提高學(xué)生動手操作和設(shè)計開發(fā)的能力。

作為硬件實現(xiàn)輔助平臺之二的實驗訓(xùn)練創(chuàng)新綜合實驗箱采用的是母板+子板結(jié)構(gòu)，母板如圖2 所示，子板采用的是51 系列單片機學(xué)習(xí)子板，如圖3 所示。利用Proteus 繪制系統(tǒng)電路原理圖，通過Keil C51 編寫實驗程序，將其生成的HEX 文件加載到Proteus 單片機中進行虛擬仿真，無誤后，利用該實驗箱專門下載軟件WWISP 通過USB 下載線將HEX 文件燒錄到硬件電路單片機中，WWISP 下載器軟件界面如圖4 所示，從而實現(xiàn)單片機實驗的軟硬件實現(xiàn)。

對于一些不需要實物支撐的知識點，可以要求學(xué)生使用Proteus 仿真軟件和Keil 軟件，畫出電路仿真原理圖，編寫C 語言程序，并進行兩個軟件的聯(lián)機調(diào)用，演示預(yù)期的實驗效果；對于需要硬件實現(xiàn)的實驗，在Proteus 和Keil 軟件仿真調(diào)試基礎(chǔ)上，選擇實驗室硬件輔助平臺之一，將程序生成的HEX 文件下載到硬件單片機中實現(xiàn)功能，觀察實驗結(jié)果，教師現(xiàn)場進行指導(dǎo)，確保每一個學(xué)生都能得到點評和指導(dǎo)。學(xué)生有問題可以直接提出，也可以分小組互相討論，最后每一個學(xué)生都必須完成設(shè)計任務(wù)，達到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

以當(dāng)前人工智能為契機，構(gòu)建虛擬仿真實驗室系統(tǒng)，使實驗教學(xué)不局限于實驗室，學(xué)生登錄系統(tǒng)可隨時使用實驗室資源進行實驗，教師可隨時檢查學(xué)生實驗情況，加強教師與學(xué)生之間的互動，使實驗室資源高效為師生所用。

（二）完善實驗指導(dǎo)書內(nèi)容

目前實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容缺少學(xué)生自行設(shè)計實驗部分，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決實際問題的能力。實驗內(nèi)容的選取應(yīng)該更注重設(shè)計性和綜合性，讓學(xué)生參與到實驗設(shè)計過程中，提升分析和設(shè)計能力。

在每個實驗項目中，可適當(dāng)對程序?qū)崿F(xiàn)的功能進行擴展，增加1-2 個選做實驗，啟發(fā)學(xué)生思考，進而使學(xué)生更深入掌握所學(xué)知識，鼓勵學(xué)生在實驗室開放時間內(nèi)完成自己感興趣的選做實驗，使學(xué)生更深入地對程序有個理解運用過程。

對于一些較復(fù)雜的綜合性和提高性實驗，可以給出以填空的形式給出部分實驗程序，學(xué)生必須在理解電路原理，讀懂程序的基礎(chǔ)上，才能正確補充所缺程序語句，從而引導(dǎo)學(xué)生對整個實驗軟硬件設(shè)計進行分析和思考。

（三）重視課程設(shè)計

單片機課程設(shè)計是單片機課程理論教學(xué)和實驗教學(xué)的綜合實驗環(huán)節(jié)，加強學(xué)生對所學(xué)基礎(chǔ)知識的理解與鞏固，是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的綜合設(shè)計能力的重要環(huán)節(jié)。課程設(shè)計題目應(yīng)該多樣化，給出多個課題供學(xué)生選擇。首先介紹課題的要求、難點及注意事項，利用proteus 繪制電路原理圖，通過proteus 和keil 仿真調(diào)試，自制實驗板驗證和仿真，無誤后撰寫所設(shè)計報告，最后進行實驗環(huán)節(jié)答辯。課程設(shè)計時間為一周，具體安排如表1 所示。

表1 課程設(shè)計內(nèi)容及時間安排

對于電子專業(yè)的學(xué)生，單片機課程基本在學(xué)生大三時開始，學(xué)生可以在前期的電子工藝實習(xí)課程中，做出一個系統(tǒng)電路，可用于在后續(xù)課程的實驗中，這樣既鍛煉了學(xué)生的動手能力，又能使學(xué)生對軟硬件設(shè)計有個全面認識，將專業(yè)知識具體化生動化。對于即將畢業(yè)的學(xué)生來說，經(jīng)過課程設(shè)計的一系列鍛煉，可以使大部分學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計有一定認識，為撰寫高質(zhì)量論文奠定了扎實基礎(chǔ)。

（四）健全學(xué)生實驗考核機制

良好的實驗考核機制可以對學(xué)生的成績進行合理有效的評價，促進學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)?？己艘罁?jù)為學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計和創(chuàng)新能力、軟件系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、撰寫課程設(shè)計報告、綜合分析和解決問題能力?？己酥饕h(huán)節(jié)主要包括設(shè)計方案選擇、系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、創(chuàng)新思維和撰寫設(shè)計報告等。

對實驗考核成績的評定標(biāo)準(zhǔn)進行完善[4]。將實驗總成績分為實驗操作和實驗報告兩部分，其中，實驗操作成績占實驗總成績的60%，實驗報告分數(shù)為實驗總成績的40%。實驗操作成績包括實驗過程中隨機考核成績（20%）、實驗綜合表現(xiàn)成績（10%）和實驗操作考試成績（30%）。由于實驗設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生進行分組實驗時會造成分組中有個別不積極的學(xué)生沒參與到實驗操作中，這就要求教師在驗收實驗結(jié)果時，隨機對學(xué)生進行實驗考核，根據(jù)所提問題的回答情況了解學(xué)生的掌握程度，給出相應(yīng)的分數(shù)，對于沒掌握的學(xué)生要求其重新操作實驗并根據(jù)最后情況給出分數(shù)；實驗綜合表現(xiàn)成績采用加分的激勵方式，對于實驗預(yù)習(xí)及操作過程中態(tài)度認真，積極性高的學(xué)生給予不同程度的加分獎勵，鼓勵學(xué)生主動思考; 最后實驗操作考試在平時所做實驗的基礎(chǔ)上，隨機抽取考試題目，以筆試和實際操作相結(jié)合的方式考核，全面考查學(xué)生對知識點的掌握程度和分析設(shè)計能力。

三 結(jié)語

本文根據(jù)單片機課程實驗教學(xué)存在的問題和我們從事單片機實驗教學(xué)的體會，以“培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”為目標(biāo)，致力于研究單片機實驗教學(xué)的新模式，根據(jù)我院特點[5]，進行單片機實驗教學(xué)改革，實行軟硬件結(jié)合實驗教學(xué)模式，完善實驗內(nèi)容與考核機制，能夠調(diào)動學(xué)生積極性，提升學(xué)生理論水平和實驗分析設(shè)計能力，為進一步學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)課程打下了良好基礎(chǔ)。