董李江

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院,南京 210007)

電子虛擬實驗室創(chuàng)建探索

董李江

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院,南京 210007)

實驗室對于電子類專業(yè)的學(xué)生具有重要的作用,由于實驗室建設(shè)的滯后和技術(shù)的快速發(fā)展,有些實驗室已經(jīng)不能滿足正常的教學(xué)和實驗需求。提出一種基于三個仿真軟件的虛擬實驗室建設(shè),可以在電腦上利用仿真軟件,再現(xiàn)實驗的過程和實驗結(jié)果,不但能夠大大降低實驗室的建設(shè)經(jīng)費,而且能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

虛擬實驗室;Multisim;Keil C51;Proteus;仿真

電子類專業(yè)許多課程如數(shù)字電路、模擬電路、單片機原理與應(yīng)用等需要利用實驗室進行日常的實踐教學(xué)。實驗室不但是學(xué)生的實驗基地,也是教師教學(xué)、科研的重要場所。然而目前高校招生規(guī)模日益擴大,教育經(jīng)費投入不足,教學(xué)儀器設(shè)備得不到及時更新和補充,同時新技術(shù)、新設(shè)備層出不窮,導(dǎo)致有些實驗室已經(jīng)不能滿足基本的教學(xué)需求,利用實驗室進行教學(xué)效果不甚理想。為了解決實驗室設(shè)備無法滿足實驗教學(xué)需求的矛盾,本文提出了一種基于 Multisim、Proteus、Keil等軟件的電子類虛擬實驗室的創(chuàng)建方案。

1 虛擬實驗室總體框架

虛擬實驗室總體架構(gòu)如圖 1所示,整個虛擬實驗室是基于Multisim、Keil C51、Proteus三大軟件構(gòu)成的。其中的 Mul2 tis im軟件可以負責(zé)模擬電路以及數(shù)字電路方面的實驗課程,而將 Keil C51和 Proteus結(jié)合則可以從軟件和硬件兩個方面對單片機系統(tǒng)進行完整的仿真。在教學(xué)過程中可以利用這幾個軟件,獲取實驗所需器件、搭建實驗電路、編寫處理器程序、查看電路的運行結(jié)果。通過虛擬實驗室這一平臺,可以在教學(xué)中做到學(xué)做一體,學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時進行實驗,同時仿真軟件將結(jié)果展現(xiàn),立刻可以獲得實驗結(jié)果,可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而提高學(xué)習(xí)效率。

1.1 Multis im軟件

Multisim軟件的前身是加拿大 IIT公司的 EWB軟件,被美國國家儀器公司 (N I)收購后,更名為 Multis im,此軟件不但可以仿真基本的模擬電路和數(shù)字電路,還支持對一些單片機的仿真,在教學(xué)和工程中應(yīng)用廣泛。利用Multisim自帶的零件庫,可以搭建簡單的數(shù)字電路或者模擬電路,并且進行相應(yīng)的仿真,軟件中進行的操作和進行實際電路搭建基本相同,仿真過程可以當(dāng)作實驗過程。同時軟件的更新速度較快,可以和當(dāng)前最新的器件同步,將最新的技術(shù)展示給學(xué)生[1]。

1.2 Keil C51軟件

Keil C51集成開發(fā)環(huán)境是一款優(yōu)秀的基于Windows的單片機軟件開發(fā)平臺。Keil C51以其優(yōu)異的性能和廣泛的用戶支持獲得了一致好評。它支持眾多不同公司的單片機,集編輯、編譯、仿真于一體,同時支持匯編和 C語言的程序設(shè)計,是單片機學(xué)習(xí)和開發(fā)過程中不可缺少的工具軟件。軟件具備的仿真功能可以很好地將單片機的內(nèi)部寄存器信息和程序運行結(jié)果以直觀、友好的界面進行展示。將該開發(fā)環(huán)境應(yīng)用于單片機課程教學(xué)中不僅能夠增強學(xué)生的教學(xué)互動性,同時還為提高學(xué)生的實踐教學(xué)打下良好的基礎(chǔ),為日后進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟件開發(fā)鋪平道路。同時,軟件還能生成單片機程序?qū)?yīng)的 HEX文件,為其他程序的仿真或者硬件編程提供了方便[2]。

1.3 Proteus軟件

Proteus軟件是來自英國 Labcenter electronic公司的 EDA工具軟件,是基于 SPI CE仿真引擎的混合電路仿真軟件,除了能夠仿真模擬電路、數(shù)字電路,其最主要的特點在于能夠進行微處理器仿真,直接在基于原理圖的虛擬原型上進行處理器編程調(diào)試。軟件能提供多系列單片機 (8051系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列 HC11系列)進行虛擬仿真,只要搭建簡單的單片機最小系統(tǒng),并且加載自己編寫的程序,就能使單片機開始運行,并且實時查看運行結(jié)果。Proteus軟件提供的多達數(shù)千的元器件就如同一個實驗室,可以滿足大部分的實驗需求,其直觀的輸出界面也使得仿真能夠更快地提高設(shè)計效率,降低開發(fā)成本。

2 虛擬實驗室實例分析

虛擬實驗室不但可以進行常規(guī)的仿真實驗練習(xí),還可以在平時上課時作為演示平臺。下面以單片機課程中的一個實驗為例,通過實例展示虛擬實驗室的操作過程和實驗結(jié)果。

常規(guī)的單片機編程需要先連接硬件電路,再編制程序,生成可下載的二進制或者十六進制文件后,通過編程器將程序燒寫到單片機內(nèi)部后,單片機系統(tǒng)才可以開始運行,需要不少的硬件設(shè)備和操作過程,而利用軟件仿真則將這些步驟都集中在兩個軟件內(nèi)。下面以單片機驅(qū)動數(shù)碼管計數(shù)為例介紹仿真設(shè)計的硬件和軟件兩個方面。

2.1 硬件電路設(shè)計

在 Proteus軟件中建立新工程,在原理圖繪制中,繪制單片機最小系統(tǒng),將單片機的 P1口連接到七段碼數(shù)碼管,并且外接上拉電阻,如圖 2所示。

圖中的單片機采用 AT89C51,并且沒有連接電源和地,單片機的晶振電路,復(fù)位電路也都沒有連接,這些在仿真軟件中可以不接,系統(tǒng)默認(rèn)單片機處于正常工作狀態(tài),因此在做簡單仿真時,可以省略這些電路,以節(jié)省時間。

2.2 軟件編程設(shè)計

設(shè)計完硬件電路后,開始進行軟件編程,采用 Keil C51軟件進行編程,建立工程時選擇器件為 AT89C51,這樣與Proteus的仿真電路圖保持一致,并且在工程設(shè)置中選擇生成hex文件,此文件作為 Proteus中單片機的執(zhí)行程序。設(shè)置完成后進行編程,程序如下:

程序完成經(jīng)過編譯后就可以生成 hex文件,在 Proteus中雙擊單片機,在 program file中將 Keil中生成的 hex文件作為這里的單片機的源程序,然后點擊運行按鈕,就可以發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管已經(jīng)開始以固定的速度從 0至 9開始計數(shù),如圖 3所示,表明 Proteus已經(jīng)將 Keil生成的程序調(diào)入單片機中運行,兩個軟件聯(lián)合效果良好。

3 結(jié)語

通過一些課程的實際應(yīng)用,可以發(fā)現(xiàn)基于軟件的虛擬實驗室能夠很好滿足當(dāng)前課程的實驗要求,對于課程中的實驗都能起到很好的演示作用,可以做到將實驗結(jié)果實時展示,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和老師的上課效率。在實驗課中,學(xué)生可以根據(jù)自己的思路,搭建設(shè)計自己的實驗平臺,通過直觀的實驗結(jié)果展示,立刻能了解自己的設(shè)計是否正確。同時因為電路的組裝和拆卸都是通過軟件實現(xiàn),學(xué)生可以不斷改變自己的設(shè)計思路,完善自己的設(shè)計,對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及創(chuàng)新能力大有裨益。

[1]聶典.Multis im 9計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]陳炳杰,余里超.基于 Proteus與 Keil的虛擬實驗室構(gòu)建[J].茂名學(xué)院學(xué)報,2009,19(3):65～68.

[3]林志琦,郎建軍.基于 Proteus的單片機可視化軟硬件仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

G642.0

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1674-6341(2010)02-0105-02

2010-03-04

董李江 (1981-),男,江蘇南京人,助教,工學(xué)碩士,從事單片機及其應(yīng)用研究。

責(zé)任編輯:張耀華