虛擬仿真在微機原理與應(yīng)用課程實驗中的教學(xué)應(yīng)用研究

韓明 沈振乾 王紅霞

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?目前微機原理與應(yīng)用課程的實驗教學(xué)存在較多問題，通過將Proteus虛擬仿真軟件引入課程的實驗教學(xué)中，研究虛擬仿真在實驗教學(xué)、電路設(shè)計、實驗考核等方面的應(yīng)用，并在實驗教學(xué)改革中進行案例分析。實踐結(jié)果表明，將Proteus虛擬仿真軟件應(yīng)用到微機原理與應(yīng)用課程實驗教學(xué)中，可以實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗實踐相結(jié)合，深化學(xué)生對微機原理與應(yīng)用課程的理解，改善教學(xué)質(zhì)量和實驗效果，優(yōu)化實驗環(huán)境和考核方法，提高學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計能力。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?虛擬仿真；Proteus；微機原理與應(yīng)用課程；教學(xué)改革

［中圖分類號］ ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標(biāo)志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］ ?2096-0603（2023）07-0029-04

微機原理與應(yīng)用課程是高校理工科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是電子、信息、計算機等專業(yè)的必修課。該課程以Intel 80 × 86微處理器和PC系列微機作為基礎(chǔ)，全面介紹了微型計算機的基本原理、編程語言和接口技術(shù)。該課程具有軟件與硬件相結(jié)合、理論與實踐相聯(lián)系的特點，因此，除了理論教學(xué)之外，還需要相應(yīng)的實驗課教學(xué)與之相配。通過對應(yīng)的實驗課教學(xué)可以更好地實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，幫助學(xué)生掌握微型計算機的基本工作原理、常用芯片結(jié)構(gòu)，熟悉編程語言、編程思路和編程設(shè)計方法等知識。

在教學(xué)工作中，分析了微機原理與應(yīng)用課程在教學(xué)方法和教學(xué)形式方面存在的問題，提出將虛擬仿真軟件引入實驗教學(xué)中，可以提高教學(xué)質(zhì)量和效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，與理論課教學(xué)相比，在培養(yǎng)學(xué)生操作能力、實踐能力和創(chuàng)新能力等方面，有更好的作用和效果，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。本文中虛擬仿真軟件選用Proteus軟件，同時引入實驗案例，讓每位學(xué)生通過Proteus軟件設(shè)計、調(diào)試、仿真，并顯示出自己的學(xué)號，以此作為實驗最終的結(jié)果，從而有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)實驗的獨立性和自主性。

一、微機原理與應(yīng)用課程的現(xiàn)狀

目前，大部分學(xué)校微機原理與應(yīng)用課程主要采用“微機實驗箱+電腦編程軟件”的模式，多數(shù)實驗都屬于“驗證式”實驗，實驗教材中提供了每項實驗所需的硬件固定連接、程序參考代碼、程序調(diào)試方法等操作步驟。學(xué)生在實驗時不需要太多的思考，只需要按照教材里提供的實驗步驟進行操作就可以完成實驗，沒有達到實驗教學(xué)在整體課程教學(xué)中應(yīng)發(fā)揮的作用和效果。這種實驗教學(xué)的形式和方法主要存在以下不足。

（一）教學(xué)方法單一，考核形式簡單

目前，大部分學(xué)校的實驗課都使用微機實驗箱來進行實驗學(xué)習(xí)，但在傳統(tǒng)的實驗箱上，大部分的元器件及其連線已經(jīng)固定，學(xué)生實際操作的內(nèi)容比較少，也比較簡單。傳統(tǒng)實驗教學(xué)一般是由教師將實驗項目演示一遍，然后學(xué)生按照固定的步驟進行固定的操作，出現(xiàn)固定的結(jié)果后再叫教師過來檢查打分。教師根據(jù)實驗最后的結(jié)果給出成績，這種方式很難使學(xué)生對理論課程的內(nèi)容有深入的理解和認(rèn)識，不利于調(diào)動學(xué)生參與實驗的積極性和主動性。

（二）設(shè)備故障較多，維修成本較高

實驗箱屬于硬件設(shè)備，使用時間越長故障率就越高，如果部分核心元器件損壞，則必須由生產(chǎn)廠家的專業(yè)工程師來維修調(diào)試，維修及更換配件的時效性較差，而且維修成本較高，且容易影響正常實驗的順利進行，實驗箱的利用率不高。

（三）靈活性不夠，創(chuàng)新性不足

由于實驗箱都是微機原理與應(yīng)用課程配套專用，對其他相關(guān)實驗課應(yīng)用的擴展性較低，實驗箱的通用性不強。實驗箱內(nèi)部的元器件和線路已經(jīng)固定，學(xué)生只能開展固定的驗證性實驗，無法自主設(shè)計實驗，實驗的靈活性不夠。每位學(xué)生的實驗內(nèi)容和結(jié)果都完全一樣，需要自己進行主動思考，自主設(shè)計的內(nèi)容較少，限制了學(xué)生的思維拓展，很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主能力和創(chuàng)新能力。

二、Proteus虛擬仿真軟件的基本原理

本文中說的虛擬仿真軟件指的是Proteus軟件，是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件，是可以將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三者合一的設(shè)計平臺，具有豐富的元件庫、虛擬儀器、仿真模型等應(yīng)用資源，不僅可以仿真單片機及外圍器件，還可以對電路進行設(shè)計、制版、仿真等操作。Proteus軟件可以分析和仿真各種微型計算機、模擬電路、數(shù)字電路、集成電路、單片機及其外部設(shè)備，能夠提供多種虛擬儀器，被廣泛地應(yīng)用于微機原理、電路理論、模擬/數(shù)字電子技術(shù)等電類專業(yè)課程教學(xué)中。

在微機原理與應(yīng)用課程的實驗中，可以借助Proteus軟件實現(xiàn)動態(tài)演示教學(xué)，使學(xué)生實時觀察到存儲器、內(nèi)外部寄存器、芯片相關(guān)接口的狀態(tài)變化，加深對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)和理解。通過引入Proteus軟件進行教學(xué)，實現(xiàn)硬件和軟件設(shè)計的結(jié)合，增強實驗課程的專業(yè)性和創(chuàng)造性，鍛煉學(xué)生的實踐操作能力和設(shè)計創(chuàng)新能力，加深學(xué)生對微機原理及應(yīng)用課程中理論知識的理解，提高實驗效果和教學(xué)質(zhì)量。

三、Proteus虛擬仿真在實驗教學(xué)改革的案例分析

（一）程序設(shè)計基本方法

8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，在計算機系統(tǒng)中是比較常用的一種可編程并行接口芯片，可以通過軟件編程對其工作方式進行靈活設(shè)置，具有使用方便、價格低廉、應(yīng)用廣泛的特點。

8255A內(nèi)部有三個8位的輸入輸出端口，是三個相互獨立的并行接口，分別為A、B、C端口，其中A端口作為輸入用，B端口作為輸出用，C端口作為輔助控制用。8255A共有三種工作方式，可通過設(shè)置方式控制字進行設(shè)置：方式0為基本的輸入/輸出方式，A、B、C三個端口都可以設(shè)定為輸入或者輸出；方式1為選通式輸入/輸出方式，A、B、C三個端口都可以工作在這一方式下；方式2為雙向總線I/O方式，只有A端口可以工作于方式2，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，又可以接收數(shù)據(jù)。圖1為本實驗的程序設(shè)計流程圖。

（二）Proteus硬件電路設(shè)計

本實驗使用可編程并行接口芯片8255A、8051 CPU、74LS373鎖存器、LED燈、BCD數(shù)碼管及相關(guān)的接口芯片設(shè)計硬件電路，由Proteus軟件進行仿真，實驗設(shè)計的具體要求如下：

1.將8051CPU的時鐘頻率設(shè)置為2.0MHz。

2.使兩片8255A的A、B、C端口均工作于方式0，并使A口為輸出口，B口為輸入口。

3.使第1片8255A的B口高4位控制A口的4個LED燈，B口低4位控制BCD數(shù)碼管1。

4.使第2片8255A的A口高四位接BCD數(shù)碼管2，顯示第1片8255A的B口高四位按鍵輸入的數(shù)字。

5.74LS273鎖存器進行輸出地址Q0-Q7的鎖存。

6.讓學(xué)生自行設(shè)計電路并編程，使2個BCD數(shù)碼管顯示出學(xué)生本人學(xué)號的后2位。

實驗電路的核心部分為8051CPU單片機，在本實驗Proteus仿真軟件中的8051CPU選用AT89C51單片機，AT89C51是內(nèi)部帶有4K字節(jié)FLASH存儲器的高性能、低電壓8位CMOS微處理器單片機。AT89C51單片機內(nèi)部包括4K字節(jié)Flash閃速存儲器（FPEROM——Flash Programmableand Erasable Read Only Memory），256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（00H-7FH為片內(nèi)RAM，80H-FFH為特殊功能寄存器SFR），4個8位并行I/O端口（既可以作為輸入，又可以作為輸出），兩個16位定時/計數(shù)器（既可以作為定時器，又可以作為計數(shù)器），一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)（5個中斷源、2個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)），一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）串行I/O通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，以上各部分通過片內(nèi)8位數(shù)據(jù)總線（DBUS）相連接。

AT89C51中RST為復(fù)位信號輸入接口，當(dāng)輸入2個機器周期的高電平時，可以實現(xiàn)復(fù)位操作。ALE為地址鎖存信號接口，向外輸出正脈沖信號，鎖存低8位地址的控制信號，在本實驗仿真中將其接到74LS373的LE鎖存接口。EA為內(nèi)外程序存儲器選擇接口，當(dāng)EA輸入低電平時，CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行片外程序存儲器的程序指令；當(dāng)EA輸入高電平時，CPU則只訪問片內(nèi)ROM并執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器的程序指令。P0口（P0.0-P0.7）是漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口；P1口（P1.0-P1.7）是內(nèi)部帶有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口（并行或按位使用）；P2口（P2.0-P2.7）是內(nèi)部帶有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，當(dāng)有外部存儲器時用作高8位地址總線；P3口（P3.0-P3.7）是內(nèi)部帶有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，每個引腳除了可作為一般I/O口外，還可以控制系統(tǒng)信號。在本實驗仿真中，使用了P0口（P0.0-P0.7），通過總線連接到74LS373的D0-D7接口，進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制，實驗時學(xué)生可以通過Proteus仿真軟件的存儲器窗口進行控制并觀察狀態(tài)。

8255A為可編程并行接口芯片，芯片連接的方式類似于一個外部RAM。在其內(nèi)部接口引腳中的左側(cè)部分均為控制接口，D0-D7為數(shù)據(jù)總線，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)線雙向連接，可以并行傳送8位數(shù)據(jù)；A0、A1為端口選擇接口，可以決定CPU對8255A內(nèi)部操作哪個端口。RESET接口是復(fù)位功能，將8255A中所有的寄存器都清空，復(fù)原至最初的狀態(tài)。RD讀信號和WR寫信號，通過讀/寫的模式實現(xiàn)I/O口（輸入/輸出）功能，在CS片選信號的配合下實現(xiàn)對8255A執(zhí)行讀/寫操作。RD、WR、CS信號均為低電平有效，在本實驗中，學(xué)生可以通過Proteus軟件中的源代碼編程部分對相應(yīng)位賦值0或賦值1來控制對應(yīng)信號引腳是否選用，并觀察內(nèi)部寄存器各數(shù)據(jù)的變化。

在其內(nèi)部接口引腳中的右側(cè)部分是A、B、C三個通道，每個通道都有8根線與外部設(shè)備連接，各接口分別為PA0-PA7、PB0-PB7、PC0-PC7，其中PA0-PA7具有8位輸出鎖存器/緩沖器和8位輸入鎖存器，用于8255A向外部設(shè)備輸入/輸出8位并行數(shù)據(jù)，在本實驗設(shè)計中連接并控制LED燈和BCD數(shù)碼顯示管；PB0-PB7具有8位輸入鎖存器/緩沖器和8位輸出鎖存器，用于8255AA向外部設(shè)備輸入/輸出8位并行數(shù)據(jù)，在本實驗設(shè)計中連接并控制8個DIP撥碼開關(guān)；PC0-PC7具有8位輸出鎖存器/緩沖器和8位輸入緩存器，在本實驗中可讓學(xué)生通過Proteus仿真將PC口分別與PA口、PB口相互配合使用，作為其控制信號輸出或者狀態(tài)信號輸入端口，邊實驗邊觀察其信號狀態(tài)。在Proteus仿真軟件的“source code”編程界面中，進行相應(yīng)的賦值來選擇A、B、C三個端口的使用：如果A1、A0接口的賦值是00，則選擇的是A端口（即PA0-PA7）；如果A1、A0接口的賦值是01，則選擇的是B端口（即PB0-PB7）；如果A1、A0接口的賦值是10，則選擇的是C端口（即PC0-PC7）。

74LS373為地址鎖存器芯片，D0-D7連接到89C51的P0.0-P0.7接收信號，輸出端Q0-Q7可直接與總線相連，輸出端的狀態(tài)并不會隨著輸入端的狀態(tài)一直變化，只有接收到鎖存信號時，輸入端的狀態(tài)才會保存到輸出，并一直保存至下一個鎖存信號出現(xiàn)時才會改變。鎖存信號LE（latch enable）引腳置于高電平時，Q0-Q7接口便鎖存住了對應(yīng)D0-D7的上一個狀態(tài)，之后無論D0-D7接收到的信號如何變化，Q0-Q7的信號都是被鎖存的，輸出的依然是原來的數(shù)據(jù)。在本實驗中可以通過Proteus仿真軟件查看內(nèi)部地址數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

本實驗仿真電路的顯示部分為LED燈和BCD數(shù)碼顯示管兩部分，4個LED燈可以顯示亮滅，1個BCD數(shù)碼顯示管可以顯示數(shù)值。SW1-SW8為撥碼開關(guān)，具有控制功能，在Proteus仿真軟件中可以通過鼠標(biāo)選擇上撥或者下?lián)?。其中LED燈是由撥碼開關(guān)的高4位控制的，由于LED燈均通過上拉電阻連接到GND接地，采用共陽極的連接方式，所以輸入低電平時LED燈會被點亮。在本實驗中，學(xué)生可以通過Proteus仿真軟件，根據(jù)情況自行選擇SW撥碼開關(guān)和LED燈的數(shù)量，以及根據(jù)顯示效果選擇LED燈的顏色，由此可以形象地顯示出實驗狀態(tài)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性。BCD數(shù)碼顯示管由撥碼開關(guān)的低4位控制的，根據(jù)4個撥碼開關(guān)的0/1值，顯示出對應(yīng)數(shù)值。學(xué)生在實驗時，通過Proteus軟件中的源代碼編程部分對相應(yīng)位賦值0或賦值1，來控制對應(yīng)信號引腳是否選用，并觀察內(nèi)部寄存器各數(shù)據(jù)的變化，加深對賦值和控制功能的學(xué)習(xí)和理解。

（三）Proteus軟件程序設(shè)計

本實驗的程序編譯和調(diào)試需要選擇可以支持8051匯編語言的編譯編輯器，通過Proteus仿真軟件的“source code”編程界面進行源代碼的編寫，進行編譯、匯編后生成可執(zhí)行的“.ASM”或者“.EXE”格式的程序可執(zhí)行文件，編寫的源代碼的主程序如下：

org 0000h

ljmp main

orgt 0100h

main：mov a，#82h

? ? mov dptr，#7fffh

? ? movx @ dptr，a

light：mov dptr，#7ffdh

? ?movx a，@ dptr

? ?mov dptr，#7ffch

? ?movx @ dptr，a

? ?mov dptr，#0bff3h

? ?movx @ dptr，a

? ?sjmp light

end

（四）仿真電路的程序調(diào)試

可編程并行接口芯片8255A的A端口和B端口的輸出接到LED發(fā)光二極管和BCD數(shù)碼管并顯示出對應(yīng)的狀態(tài)，在仿真電路中選擇8051CPU芯片并單擊右鍵，出現(xiàn)“Edit Component”對話框，設(shè)置8051CPU的芯片參數(shù)，并把源文件生成的“.ASM”或者“.EXE”文件加載到8051CPU芯片中，然后就可以進行仿真和調(diào)試。學(xué)生在實驗時可以根據(jù)實際情況自行設(shè)置8051CPU芯片內(nèi)部的各項參數(shù)，可以通過設(shè)置不同的參數(shù)觀察實驗數(shù)據(jù)的差別。通過控制L1-L8這8個撥碼開關(guān)，來控制4個LED發(fā)光二極管和2個BCD數(shù)碼管，2個BCD數(shù)碼管顯示出的“2”和“0”即為該實驗學(xué)生學(xué)號的后兩位。通過這種方式，可以形象地顯示出仿真效果，便于學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)和理解。由于不同學(xué)生實驗結(jié)果顯示的學(xué)號數(shù)字不同，也可以提高學(xué)生實驗的獨立性和自主性。

在我校的教學(xué)中，教師通過將Proteus仿真軟件引入實驗教學(xué)，可以更加生動形象地演示出8051CPU、74LS373、8255A等芯片的工作方式設(shè)置、程序調(diào)試過程和實驗效果實現(xiàn)，可以很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，深化學(xué)生對8051單片機、74LS373鎖存器、可編程8255A并行接口芯片及其接口功能的學(xué)習(xí)和理解，取得了良好的教學(xué)效果。

在本實驗案例中，讓每位學(xué)生通過Proteus軟件自行設(shè)計電路、調(diào)試程序、仿真結(jié)果，并顯示出自己學(xué)號的后兩位，以此作為實驗最終的結(jié)果。這樣每位學(xué)生的程序和結(jié)果都不一樣，避免學(xué)生出現(xiàn)互相抄襲、依賴他人的心理，可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)實驗的獨立性和自主性，進而提高實驗課程的質(zhì)量和效果。

四、結(jié)語

本文通過將Proteus虛擬仿真引入微機原理與應(yīng)用課程教學(xué)中，可以在課程教學(xué)的改革方面發(fā)揮積極的作用。在理論教學(xué)中，通過Proteus仿真教學(xué)可以使理論講解更加形象生動；在實驗教學(xué)中，通過Proteus軟件進行虛擬仿真實驗可以彌補硬件實驗設(shè)備資源數(shù)量有限、硬件容易損壞、通用性不強、利用率不高等缺點，給學(xué)生提供更多的實驗和動手機會，同時方便學(xué)生實時觀察系統(tǒng)存儲器、寄存器等數(shù)據(jù)的變化。經(jīng)過我們的教學(xué)實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的軟硬件綜合設(shè)計能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)質(zhì)量和效果。從總體上看，整體實驗效果比較理想，有利于改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，推動實驗課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)發(fā)展。

參考文獻：

［1］侯慧，朱韶華，張清勇，等.國內(nèi)外高等學(xué)校虛擬仿真實驗發(fā)展綜述［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2022，44（5）：143-147.

［2］曹彥剛，李紅偉，田連起，等.信息化支持下中藥炮制類本科課程體系的構(gòu)建與實踐［J］.中國信息化，2022（4）：73-75.

［3］蘇春建，韓寶坤，王瑞.基于虛擬仿真實驗的機械類教學(xué)理論與實踐研究［J］.教育教學(xué)論壇，2022（47）：97-100.

［4］曹紅霞，卞振濤，朱巖巖，等.基于創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的化工工藝學(xué)課程教學(xué)探討［J］.廣東化工，2022， 49（16）：242-243，251.

［5］連文磊，楊理理，于兵.基于虛擬仿真的線上線下混合式教學(xué)探索：以“光伏原理”課程為例［J］.工業(yè)和信息化教育，2022（2）：91-94.

◎編輯 鄭曉燕