施 眾

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Protues在單片機學(xué)習(xí)領(lǐng)域教學(xué)中的應(yīng)用

施 眾

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

介紹了單片機仿真軟件Protues與編譯軟件keil的聯(lián)調(diào)方法。在教學(xué)中采用仿真軟件，能在課堂上模擬實際電路的搭建，在虛擬電路中調(diào)試程序，讓學(xué)生更易于接受相關(guān)的知識；同時在學(xué)生分組設(shè)計中，起到很好的輔助作用，解決了元件短缺的問題。

單片機；學(xué)習(xí)領(lǐng)域；Protues；keil

《單片機技術(shù)及應(yīng)用》課程是一門面向應(yīng)用、具有很強的實踐性與綜合性的課程。在專業(yè)課程體系中占有重要地位，對學(xué)生小型電路硬件設(shè)計和程序編寫能力、創(chuàng)新能力和團隊合作意識培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，受到各種條件限制，如何將單片機的理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合起來，一直是個難題。近年來，筆者在工作中逐漸接觸到學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)模式，并結(jié)合學(xué)校的教學(xué)條件進行學(xué)習(xí)和嘗試，摸索了EDA軟件在新時期單片機教學(xué)中的應(yīng)用。通過軟件的幫助，讓理論教學(xué)與實踐教學(xué)找到新的結(jié)合點，得到了不錯的效果。

1 軟件簡介

在當(dāng)前的單片機開發(fā)行業(yè)中，仿真軟件Protues和編程軟件Keil受到廣大行業(yè)人員的青睞。這是因為“單片機產(chǎn)品的開發(fā)要經(jīng)過軟件編寫、硬件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)三個環(huán)節(jié)，后兩個環(huán)節(jié)必須在整個硬件電路制作完畢后才能進行，而硬件電路的制作費時費力，元器件的采購、安裝和測試都很容易出問題，這就導(dǎo)致了開發(fā)周期的延長等一系列問題。在上述兩個軟件的幫助下，開發(fā)人員可以將所有環(huán)節(jié)在電腦上模擬完成，等到系統(tǒng)虛擬完畢后再開始硬件制作，無疑可以大大的提高效率，縮短開發(fā)成本和開發(fā)周期?！盵1]

1.1 仿真軟件Protues

Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Protues內(nèi)部提供了豐富的仿真資源，主要有：

（1）仿真元器件資源；

（2）仿真儀表資源；

（3）虛擬儀器儀表；

（4）比較豐富的測試信號。

Protues不但完全支持MCS-51及其派生系列單片機的設(shè)計系統(tǒng)，也能仿真基于AVR系列的單片機系統(tǒng)，此外PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等單片機均可以實現(xiàn)仿真。

同時如果用戶所需的元器件在庫中不存在，軟件提供了工具，讓用戶自行創(chuàng)建元器件進行仿真。

1.2 編程軟件Keil

Keil軟件是美國Keil Software公司出品的單片機匯編/C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面?？梢酝瓿删庉?、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。

通過正確的設(shè)置，Keil軟件與Protues軟件可以實現(xiàn)聯(lián)調(diào)，前者進行程序的編譯與調(diào)試，后者進行虛擬硬件系統(tǒng)工作，完成軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真。

2 單片機教學(xué)模式的改進

傳統(tǒng)的單片機教學(xué)中，理論課采用板書教學(xué)，實踐一般就是在實驗室中對實驗箱進行操作練習(xí)，理論和實踐之間的聯(lián)系比較松散，學(xué)生在課堂所學(xué)的理論知識不能立刻轉(zhuǎn)換成實際的操作能力。在理論課上，學(xué)生首先要接觸編程指令，完成指令的學(xué)習(xí)以后開始學(xué)習(xí)單片機的內(nèi)部硬件，之后是學(xué)習(xí)擴展外部硬件，在臨近期末才開始學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)的設(shè)計。與之對應(yīng)，實驗課也只能先安排學(xué)生編寫程序，學(xué)期過半以后，才能安排對內(nèi)部硬件的控制實驗和連接外部硬件實驗，等到學(xué)生開始接觸完整的單片機系統(tǒng)的設(shè)計，實驗課的次數(shù)也所剩無幾。

如此，學(xué)生不得不在本門課程的大部分時間內(nèi)，面對相對枯燥的基礎(chǔ)練習(xí)，而企業(yè)真正需要的開發(fā)能力，創(chuàng)新能力的訓(xùn)練少之又少，這一方面大大降低了學(xué)生對單片機設(shè)計的興趣，同時學(xué)生獲得的崗位能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到要求。這說明，傳統(tǒng)的單片機教學(xué)模式并不符合高職教育以崗位能力培養(yǎng)為主線，基礎(chǔ)能力夠用為準(zhǔn)的原則。

為了解決這個問題，可以用學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)模式逐步取代傳統(tǒng)教學(xué)模式。學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)要求以學(xué)習(xí)情境模擬企業(yè)的現(xiàn)實生產(chǎn)流程，引導(dǎo)學(xué)生進行主動學(xué)習(xí)。

對于單片機來說，設(shè)計人員主要是根據(jù)產(chǎn)品工作需求，開發(fā)出基于單片機的應(yīng)用系統(tǒng)板，按專業(yè)需求編寫功能程序，完成客戶任務(wù)。針對不同工程具體而言，單片機系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計步驟和開發(fā)過程不完全相同，但總體而言，其一般過程是類似的。學(xué)習(xí)領(lǐng)域教學(xué)正是把這些共性映射到了課堂上，不同的學(xué)習(xí)情境，模擬了學(xué)生在工作中可能遇到的工作任務(wù)。學(xué)生以小組合作的形式，在教師的指導(dǎo)下查詢相關(guān)資料，完成硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最終調(diào)試出符合任務(wù)要求的產(chǎn)品。在這過程中，學(xué)生實際體驗了職場的緊迫感，通過完成任務(wù)，不但學(xué)習(xí)了單片機知識，也鍛煉了團隊能力，掌握了一些必須的行業(yè)規(guī)范。

在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對實踐環(huán)節(jié)的興趣提高了，希望把自己的設(shè)計實現(xiàn)出來，但是受到硬件條件的限制，比如有些元件價格昂貴，有些元件很難買到，很多設(shè)計思路還只能停留在理論上，而不能得到具體實現(xiàn)。

EDA軟件的采用，讓筆者在某種程度上找到了解決問題的途徑：用電腦來模擬硬件。面對著形形色色的EDA軟件，應(yīng)該如何做出選擇呢？假如存在這么一個軟件，那么它應(yīng)該具備如下功能：

（1）能夠完成對硬件的電路的模擬，當(dāng)虛擬系統(tǒng)中存在單片機芯片時，能夠模擬單片機執(zhí)行用戶程序的完整過程；

（2）操作便利。如果軟件操作難度較大，會導(dǎo)致學(xué)生把時間浪費在軟件的學(xué)習(xí)中，這樣得不償失；

（3）虛擬資源豐富。正如前文所言，這是采用EDA軟件最大的優(yōu)勢。軟件必須能夠提供多領(lǐng)域多種類的虛擬元器件，滿足設(shè)計上的需要，如果庫中缺乏某種虛擬元件時，應(yīng)該能讓設(shè)計人員（學(xué)生）自行定義；

（4）模擬結(jié)果易于觀察。單片機系統(tǒng)的設(shè)計，往往需要使用示波器、萬用表等設(shè)備觀察運行結(jié)果。如果用EDA軟件取代實際的硬件，原先的檢測設(shè)備是無能為力的，這就需要軟件提供對應(yīng)的觀察手段；

（5）與行業(yè)接軌。高職教育的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力，讓學(xué)生完成學(xué)業(yè)后具備更強的競爭力。因此，教學(xué)過程中采用的軟件不應(yīng)當(dāng)是過時的、落后的，必須與時俱進，最好是當(dāng)前行業(yè)中正在使用的軟件。

綜合以上幾點，筆者選擇了keil和Protues聯(lián)調(diào)的形式進行學(xué)習(xí)情境中的硬件仿真，從本文開頭的描述中可以看出，這兩個軟件的聯(lián)調(diào)工作方式和需求基本一致。

3 教學(xué)實例

3.1 準(zhǔn)備工作

首先要下載安裝這兩個軟件的最新版本，安裝完畢后，按照以下步驟進行聯(lián)調(diào)的設(shè)置。

（1）將Protues安裝路徑下MODELS目錄中的 VDM51.dll文件復(fù)制到Keil的BIN文件夾中

（2）打開Keil 根目錄下的TOOLS.INI文件，在[C51]欄目下加入“TDRVn=BINVDM51.DLL ("Proteus VSM Monitor-51 Driver" )”，其中“TDRVn”中的“n”要根據(jù)實際情況寫，不可和原有的重復(fù)。

（3）運行Keil，在項目設(shè)置中選擇DEBUG標(biāo)簽，選擇Protues仿真，如圖1所示。

圖1 Keil聯(lián)調(diào)設(shè)置

然后再點擊"Setting"設(shè)置通信接口，在Host后面添上"127.0.0.1"，在Port后面添上"8000"，完成設(shè)置。如果采用雙機通訊的方式進行聯(lián)調(diào)，則HOST處需要填寫另一臺主機在局域網(wǎng)中的IP地址。

（4）運行Proteus的ISIS，鼠標(biāo)左鍵點擊菜單"DEBUG"，選中"use romote debuger monitor"，效果如圖2所示。

圖2 Protues聯(lián)調(diào)設(shè)置

至此，Protues與Keil的聯(lián)調(diào)設(shè)置完畢。

3.2 理論教學(xué)過程

以電子琴系統(tǒng)的開發(fā)為例子。教師首先布置本情境的設(shè)計任務(wù)，并演示如何在protues中搭建出基本的硬件電路，如圖3所示[2][3]。

圖3 電子琴仿真電路

在繪圖過程中，教師加以適當(dāng)講解，可以讓學(xué)生更直觀地理解電子琴每一部分的工作原理。

完成硬件電路后，教師介紹軟件流程，傳授單片機相關(guān)內(nèi)部硬件的知識，引導(dǎo)學(xué)生思考如何編寫程序。講解完成后，在keil軟件中打開預(yù)先編寫好的程序文件，并按下“調(diào)試”按鈕，連接Keil軟件與Protues軟件，此時可以看到屏幕中出現(xiàn)了“運行”按鈕。

圖4 虛擬示波器（局部）

按下運行按鈕之后，在Protues軟件中，界面中出現(xiàn)虛擬示波器窗口（如圖4），通過這個窗口，學(xué)生可以直觀的看到引腳上電平的變化，以及不同操作對波形的影響，這在以往的理論教學(xué)中是很難做到的。

在圖4中可以看到，此時示波器上沒有接收到任何信號，同時，揚聲器也沒有發(fā)出聲音。接下來教師用鼠標(biāo)點擊窗口中虛擬的觸點開關(guān)，如圖5的上圖和下圖所示，按下不同開關(guān)時，示波器窗口上出現(xiàn)了很明顯的不同頻率的方波，同時虛擬揚聲器也借助電腦音箱發(fā)出不同的聲音，這表明已經(jīng)實現(xiàn)了電子琴的基本功能。

圖5 不同開關(guān)的輸出波形

3.3 實踐環(huán)節(jié)

在實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生分組完成工作任務(wù)。在這一階段，要求學(xué)生查詢資料，根據(jù)任務(wù)中的具體要求對硬件電路進行修改或擴展，并編寫出對應(yīng)的程序，實現(xiàn)完整的電子琴功能。學(xué)生完成硬件與軟件設(shè)計后，必須進行調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤地運行。

調(diào)試工作完全可以在電腦上仿真完成，學(xué)生將電路在protues中搭建完畢，并在keil中運行編寫的程序，便可實時看到程序運行的結(jié)果，并根據(jù)運行情況調(diào)整代碼，再次調(diào)試。直到仿真通過后，便可以制作電路板，完成整個情境的設(shè)計。

4 結(jié)束語

Protues中的虛擬設(shè)備并不能完全取代實際的硬件，比如在高頻信號的處理上，軟件模擬的結(jié)果與實際電路的結(jié)果存在較大誤差，但是在單片機教學(xué)中，軟件仿真的利還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊的。

通過這種教學(xué)方法，在學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)中，讓學(xué)生既能得到理論學(xué)習(xí)，又能進行實踐鍛煉；既節(jié)約了實驗儀器費用，又能調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生判斷、分析和解決問題的能力。對學(xué)習(xí)領(lǐng)域模式下的單片機教學(xué)，有很好的輔助作用。

[1]董普松.Protues在單片機系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（14）：2.

[2]孫育才.MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2003：98-109.

[3]倪志蓮.單片機應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：119-145.

The protues in the teaching of MCU teaching fields

SHI Zong

（Electronic engineering department,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China）

This article describes the joint adjustment method about the MCU simulation software protues and Software keil complier. Take the simulation software on teaching can be simulate the actual circuit structures in the classroom, and debugger in the virtual circuit let students accept knowledge more easily. Except that, It also plays a good supporting role in designing of the student groups, and solve the problem about the component shortage.

MCU；teaching fields；Protues；keil

2009－11－12

施眾(1982－)，男，福建漳州人，助教，在讀研究生。

TP 368.1

B

1673-1417（2010）01-0083-04

（責(zé)任編輯：季平）