張秀國

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東珠海 519090

單片機虛擬實驗室的建設(shè)與使用

張秀國

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東珠海 519090

提出了一種單片機虛擬實驗室的建設(shè)方案，并通過實例闡述單片機虛擬實驗室的優(yōu)勢。

單片機；Proteus軟件；Keil軟件；虛擬實驗室

單片機課程概念原理抽象，高職學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力。而該課程實踐性很強，實驗實訓(xùn)是該課程的重要組成部分，學(xué)生需要大量的實驗實訓(xùn)項目來深刻理解單片機的概念原理,掌握單片機技術(shù)的應(yīng)用。要形成多操作位、高使用率的實驗實訓(xùn)基地，學(xué)校在硬件實驗設(shè)備的投入是相當(dāng)可觀的，且一時也難以形成規(guī)模。另外由實驗箱或?qū)嶒灠褰M成的傳統(tǒng)單片機實驗室仍存在以下諸多問題，如功能單一、封閉(規(guī)定時間，規(guī)定場地，規(guī)定實驗內(nèi)容)、易落后、難管理維護等缺點。

一、單片機虛擬實驗室的構(gòu)建

虛擬實驗室是指用仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)和多媒體技術(shù)等在計算機上營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)操作環(huán)境。Proteus和Keil是單片機仿真開發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)秀軟件，是構(gòu)建單片機虛擬實驗室的最佳選擇。

1.單片機系統(tǒng)仿真軟件選用Proteus

Proteus仿真軟件是英國Labcenter公司開發(fā)的一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，提供智能原理圖設(shè)計、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計功能。Proteus是目前世界上最先進最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺；是目前惟一能夠?qū)Ω鞣N處理器進行實時仿真、調(diào)試與測試的EDA工具，真正實現(xiàn)了在沒有硬件電路時就可對系統(tǒng)進行調(diào)試、測試與驗證。

元件和儀器儀表的數(shù)量、類型，是衡量虛擬實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。Proteus軟件提供了30多個元件庫，數(shù)萬種元件，涉及數(shù)字和模擬、交流和直流等，有示波器、邏輯分析儀、串口虛擬終端、信號發(fā)生器、交直流電壓電流表等。另外，Proteus還提供了比較豐富的電路測試信號，這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號，直流信號、交流信號、脈沖信號、指數(shù)信號、調(diào)制信號、數(shù)字脈沖信號、數(shù)字時鐘信號、音頻信號等。

2.編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil

Keil是德國Keil Software公司推出的51系列單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)，Windows界面，集程序編輯、編譯和仿真等為一體，還支持匯編、C語言的程序設(shè)計。在程序調(diào)試、軟件仿真方面功能強大。很多工程師開發(fā)的優(yōu)秀程序都是在Keil的平臺上編寫出來的。

Keil調(diào)試器具備全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，并且通過設(shè)置可與Proteus聯(lián)機調(diào)試單片機系統(tǒng)。初學(xué)者通過使用Keil軟件工具編制、調(diào)試應(yīng)用程序，可以學(xué)到單片機的各種指令，也可以學(xué)到單片機軟件開發(fā)的步驟、方法和技巧。

二、單片機虛擬實驗室的使用

以單片機和數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20構(gòu)成液晶顯示溫度計為例，介紹單片機虛擬實驗室如何通過Proteus和Keil進行仿真實驗。整個虛擬仿真實驗過程，如圖1所示。

1.繪制仿真電路的原理圖

啟動Proteus ISIS 7 Professional，在Proteus元件庫中選擇所需元件，在原理圖編輯窗口繪出如圖2所示的電路原理圖。

圖1 虛擬仿真實驗過程流程圖

圖2 DS18B20溫度傳感器輸出顯示電路及運行效果

2.程序設(shè)計

根據(jù)實驗要求在Keil中編寫實驗源程序，經(jīng)編譯、調(diào)試、修改后生成Hex文件。

3.模擬仿真

運行Proteus模擬仿真軟件，打開已經(jīng)繪制好的仿真電路原理圖，選中單片機芯片AT89C51，左鍵點擊AT89C51，出現(xiàn)對應(yīng)的對話框，在Program File中找到編譯好的“HEX”文件，然后點擊“OK”就可以仿真了。點擊運行按鈕，進入模擬調(diào)試狀態(tài)，觀察仿真實驗結(jié)果，如圖2所示LCD在顯示DS18B20所測量的外部溫度。

在模擬仿真成功以后，可以讓學(xué)生在實驗裝置上搭建電路進行驗證調(diào)試，從而增加學(xué)生的感性認(rèn)識。

三、單片機虛擬實驗室的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的單片機實驗相比，基于Proteus和Keil的單片機虛擬實驗室具有以下優(yōu)勢：

1.學(xué)校低投入、高回報。實驗室的建設(shè)和日常運行需要大量的硬件投入，包括場地、儀器設(shè)備和元器件等，特別是一些綜合性實驗，硬件成本更高。而且有些元器件屬于易耗品，使用周期較短，耗材經(jīng)費也是一筆不小的支出。采用軟件建設(shè)的單片機虛擬實驗室可以稱之為低投入、高回報型實驗室。

2.教師易管理、便教研。虛擬實驗室即使學(xué)生操作不當(dāng)，方案不正確也只有造成實驗不成功，不會存在設(shè)備和儀器儀表的損壞問題，這極大地降低了教師的設(shè)備管理和維護工作量。教師可以有更多的時間投入實驗實訓(xùn)教學(xué)指導(dǎo)和實驗內(nèi)容創(chuàng)新研究中。

3.學(xué)生愛學(xué)習(xí)、爭創(chuàng)新。單片機虛擬實驗室沒有時間、空間、硬件設(shè)備受限、無經(jīng)費來源等條件限制，操作簡單，實驗效果直觀，大大提高了學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生從以前感到枯燥乏味，到現(xiàn)在爭著學(xué)習(xí)，除了完成教師布置的實驗實訓(xùn)外，還利用所學(xué)知識自由創(chuàng)設(shè)自己的設(shè)計思路，訓(xùn)練自己的綜合能力與創(chuàng)新能力，積累工程實踐經(jīng)驗。

四、結(jié)束語

實驗室建設(shè)是高等職業(yè)技術(shù)院校教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要組成部分，利用仿真虛擬技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室，加強學(xué)生動手技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是今后實驗教學(xué)的一個發(fā)展趨勢。從實踐結(jié)果來看，利用Proteus和Keil軟件構(gòu)建單片機虛擬實驗室是正確選擇，但必須注意，仿真不能完全代替實物，只有將虛擬仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開發(fā)能力。

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2010-05-03

張秀國，碩士，工程師。