摘要:單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有十分重要的位置，它直接影響單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。本文總結(jié)傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的優(yōu)劣，提出新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺模式，即以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺Proteus為主并對部分典型的實(shí)驗(yàn)有選擇地進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺的方式，旨在最大程度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，滿足單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不同要求，取得最佳的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺;實(shí)驗(yàn)改革

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化等專業(yè)的主干課程，具有很強(qiáng)的技術(shù)性和實(shí)踐性。實(shí)踐教學(xué)平臺在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有十分重要的位置[1]，是“單片機(jī)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，它直接影響單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。因此，許多高校及教師都在探索提高該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的方法[2-5]。

本文對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行總結(jié)分類，闡述其優(yōu)缺點(diǎn)，提出新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，即前期采用英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件Proteus作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的入門學(xué)習(xí)環(huán)境，后期則以對一些典型的實(shí)驗(yàn)有選擇地進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺的方式，對過去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行改革，以適應(yīng)我國目前對現(xiàn)代化、創(chuàng)新性人才的需求。

1現(xiàn)狀分析

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺大致分為兩大類，一是直接采用現(xiàn)成的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱;二是完全進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺。

1.1直接采用現(xiàn)成的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱

在這種方式中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件平臺是采用已成品的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱上集成單片機(jī)課程中要驗(yàn)證的絕大部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與接口功能，實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)過程簡單，可靠性高，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠?qū)⒆⒁饬性谙到y(tǒng)的架構(gòu)和軟件開發(fā)上，而不會(huì)造成硬件線路搭建不當(dāng)?shù)膯栴}，從而加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡恼莆铡?/p>

目前，我國大多數(shù)院校采用這種方式，它在我國的單片機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)與教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用。這種教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，其優(yōu)點(diǎn)是采用可靠的成品硬件，減少實(shí)驗(yàn)中硬件的錯(cuò)誤及硬件損耗，有助于學(xué)生對系統(tǒng)整體的把握。但是其缺點(diǎn)也是明顯的。實(shí)驗(yàn)裝置有限的功能，實(shí)驗(yàn)裝置上各器件固定的搭配限制了學(xué)生的思維，使其無法發(fā)揮主觀能動(dòng)性及創(chuàng)造思維，也不能滿足千變?nèi)f化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，因此，與這類開發(fā)系統(tǒng)配套的實(shí)驗(yàn)裝置在綜合性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中幾乎無用武之地。

1.2完全進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺

圖1顯示的是進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)所需的儀器設(shè)備及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟。很顯然，完全進(jìn)行硬件搭建是一個(gè)相當(dāng)麻煩的事情，它要求學(xué)生有相當(dāng)豐富的軟硬件知識，這對大多數(shù)初學(xué)學(xué)生來說是不現(xiàn)實(shí)的;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還要有相對多的配套設(shè)備儀器及元器件，這對大多數(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室來說也是不現(xiàn)實(shí)的。然而，它提供了相當(dāng)大的自由度，方便學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，直至最后的軟硬件測試，能夠有效地提高學(xué)生的動(dòng)手能力，開拓學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

基金項(xiàng)目:“單片機(jī)原理與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革(20090427)。

作者簡介:馮剛，男，副教授，博士，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式。

圖1硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺的步驟與設(shè)備需求

完全硬件搭建進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要很多儀器設(shè)備，這種方式在早期的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中采用得很多，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠讓學(xué)生對整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程有一個(gè)認(rèn)識，幫助學(xué)生從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，以及軟硬件集成測試的開發(fā)過程有一個(gè)清晰的認(rèn)識，提高學(xué)生的軟硬件開發(fā)能力。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于大多數(shù)學(xué)生在前期并未接觸過軟硬件集成開發(fā)的方式，結(jié)果事與愿違，還不僅不能培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手的能力，還因購置的設(shè)備比較多，增加學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的投入，造成實(shí)驗(yàn)過程中儀器設(shè)備的巨大損耗。另外，在這個(gè)方式下，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)資源比較緊張，即使是全方位開放，也很難滿足所有學(xué)生的需求。很多學(xué)生為了做某一實(shí)驗(yàn)，在初期花費(fèi)了大量的時(shí)間與精力，但是，因受元器件、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備的限制卻半途而廢，這挫傷了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)和科研的積極性。

由此可見，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺雖然能夠滿足一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，但存在著很大的缺陷，它不能滿足單片機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展要求，無法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的要求，我們必須結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中兩種不同實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)，如采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺Proteus為主并有選擇地進(jìn)行硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺相結(jié)合的方式，從而滿足學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺不斷提高的要求。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的改革

由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺存在著各自無法克服的問題，因此，選擇一個(gè)合適的開發(fā)平臺，結(jié)合前面所提到的兩種實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)就具有十分重要的意義。在此我們提出前期采用Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺作為入口學(xué)習(xí)環(huán)境，后期則對一些典型實(shí)驗(yàn)有選擇地進(jìn)行完全硬件搭建的方法來對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行改革。

2.1采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺Proteus的意義

Proteus軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)[6-7]:

Proteus軟件提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫。

Proteus軟件提供多種現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。如示波器、邏輯筆、邏輯分析儀、SPI調(diào)試器等。

支持單片機(jī)匯編源碼級、C源碼級仿真與調(diào)試。

無需硬件電路就可對單片機(jī)電路進(jìn)行軟硬件的開發(fā)、測試與調(diào)試。

一套系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)的全部實(shí)驗(yàn)。

支持的單片機(jī)類型非常多:8051、ACR、PIC10/12、PIC16、PIC18、HC11、ARM7。

鑒于Proteus軟件的優(yōu)點(diǎn)，以Proteus軟件為核心構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺就具有以下意義:

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室的硬件投入少，只需提供計(jì)算機(jī)即可。

Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺無需提供大量的實(shí)驗(yàn)用儀器儀表，只需使用Proteus軟件中提供的多種虛擬儀器儀表就能完成對硬件電路的探測。

實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本降低，整個(gè)使用過程中損耗很小，基本沒有元器件的損耗問題。

實(shí)驗(yàn)平臺更新速度提高，只需更新仿真軟件即可。

支持學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)。Proteus軟件支持單片機(jī)及其外圍設(shè)備仿真，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)時(shí)需購置較多外設(shè)備的缺點(diǎn)。同時(shí)采用仿真軟件后，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進(jìn)行硬件的投入，這樣出來，不僅省時(shí)省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費(fèi)。

支持學(xué)生的創(chuàng)新性培養(yǎng)。Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，克服了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱由于是成品，學(xué)生很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中去的缺點(diǎn)，提供了訓(xùn)練與提高學(xué)生動(dòng)手能力的平臺。

通過對實(shí)驗(yàn)平臺的改革，用較少的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用就能達(dá)到過去采用完全硬件搭建平臺才能做到的提供給學(xué)生自主的、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不用擔(dān)心儀器件及儀表儀器設(shè)備的損壞，這極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

2.2部分采用完全硬件搭建平臺的必要性

采用Proteus仿真軟件進(jìn)行虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的缺點(diǎn)，如Proteus提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際環(huán)境相比存在一定的誤差及實(shí)時(shí)性不太好等問題。雖然學(xué)生前期學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)足夠，但在后期進(jìn)行創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際工程開發(fā)時(shí)顯得不足。

因此，針對一些典型的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，特別是Preoteus處理得不太好的實(shí)驗(yàn)，如A/D、D/A實(shí)驗(yàn)等，以及后期進(jìn)行創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)具體實(shí)際情況，先進(jìn)行軟件仿真，然后用完全硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺的方法來對其進(jìn)行補(bǔ)充與修正。這樣既節(jié)省了成本，又達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，既克服了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)世界的差別，又提高了學(xué)生進(jìn)行軟硬件協(xié)同開發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。因此，對部分實(shí)驗(yàn)采用完全硬件

搭建實(shí)驗(yàn)平臺是十分必要的。

2.3改革后的教學(xué)效果

在2007、2008兩年的教學(xué)中，我們采用了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。通過教改實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生采用Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺根據(jù)需要搭建實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步跟蹤、調(diào)試并觀察實(shí)驗(yàn)的效果，極大地提高了學(xué)生實(shí)踐的自主性和創(chuàng)新性，避免了硬件資源不足及易損等一系列缺點(diǎn)，獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。其中一個(gè)明顯的成果就是學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量評分從過去的83.4分上升到91.3分，使“單片機(jī)原理與應(yīng)用”成為我校優(yōu)秀教學(xué)課程。

3結(jié)論

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的改革是單片機(jī)課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)，沒有一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，課程教學(xué)的改革往往是一句空話。本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺改革的方案，是在充分考慮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)基礎(chǔ)上總結(jié)并提出的，具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。該方案在我校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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Reform of the Platform in Experimental Teaching of Single Chip Microcomputer

FENG Gang

(College of Computer， South China Normal University， Guangzhou 510631， Chian)

Abstract: The platform in experimental teaching of single chip microcomputer (SCM) is so important that it affects the experimental teaching directly. In this paper， we summarize the advantage and disadvantage about the traditional platform in experimental teaching of SCM， and present a reformed platform that is virtual experimental platform Proteus combining part experiment in hardware， in order to inspire the students’ interest and initiative， meet the different requires and gain a best effect in experimental teaching.

Key words: single chip microcomputer (SCM); platform in experimental teaching; experimental reform

(編輯:郭小明)