葉果

摘 要：在分析了傳統(tǒng)實驗室的缺點(diǎn)后，闡述了為何需要構(gòu)建虛擬仿真實驗室，并提出了基于Proteus軟件平臺的單片機(jī)虛擬仿真實驗室的框架和構(gòu)建方案。通過單片機(jī)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將理論與實際相結(jié)合，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量和效率，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及促進(jìn)學(xué)校教學(xué)的改革。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 ?Proteus ?單片機(jī) ?仿真實驗室

中圖分類號：G482 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0231-02

目前，我國大多數(shù)的工科高職院校都開展有單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)接口技術(shù)等實踐性較強(qiáng)的專業(yè)必修課，此類課程的教學(xué)內(nèi)容包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩大環(huán)節(jié)。但是，由于此類課程的實驗內(nèi)容對實驗儀器設(shè)備和實驗場地的需求量比較大，因而導(dǎo)致在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中面臨諸多困難。

虛擬仿真技術(shù)是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和專業(yè)知識為依托，以多媒體技術(shù)為手段，用一個虛擬的仿真系統(tǒng)來模仿真實系統(tǒng)的技術(shù)。它是虛擬仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識等多學(xué)科融合的結(jié)晶。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術(shù)，具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢：（1）采用虛擬仿真技術(shù)，不僅可以減少設(shè)備購置費(fèi)，還可以節(jié)約實驗用地，降低了實驗室建設(shè)的硬件成本，有利于緩解實驗室建設(shè)經(jīng)費(fèi)緊張的壓力;（2）仿真實驗的引入突破了實驗時間和空間的限制，有利于實驗教學(xué)的開展和實驗設(shè)備的利用，進(jìn)而有利于推進(jìn)實驗教學(xué)的改革。

1 基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實驗室

1.1 虛擬仿真實驗室概念

所謂虛擬仿真實驗室就是利用虛擬仿真技術(shù)，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺上，利用相關(guān)仿真軟件學(xué)習(xí)電子電路、電路分析、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)等實踐課程，并可以開展電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真、調(diào)試等相關(guān)實驗的實驗室。一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺（或一臺計算機(jī)）、一套電子仿真軟件，再加上一本虛擬實驗教程，就可相當(dāng)于一個設(shè)備先進(jìn)的實驗室。以虛代實、以軟代硬、虛實結(jié)合，即為虛擬仿真實驗室的本質(zhì)。

單片機(jī)虛擬仿真實驗室采用Proteus仿真軟件和相應(yīng)的硬件平臺構(gòu)成一個從虛擬到實際，從軟件到硬件，從概念到產(chǎn)品的全過程設(shè)計的多功能實驗平臺。它主要用于電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實驗、設(shè)計和開發(fā)等[4]相關(guān)工作。

1.2 Protcues軟件平臺

Proteus是英國Lab Center Electronics公司出版的一款功能強(qiáng)大的EDA工具軟件。該軟件提供智能原理圖設(shè)計系統(tǒng)、PCB設(shè)計系統(tǒng)功能以及模擬電路和數(shù)字電路與MCU器件混合仿真系統(tǒng)等功能。其不僅可以開展傳統(tǒng)的模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗的仿真工作，而且還可以仿真單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)等實驗。其適應(yīng)性強(qiáng)，支持面廣，不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的51系列、AVR、PIC等常用MCU，而且還提供了大量的電子元件庫，可以實現(xiàn)常用設(shè)備和元器件的硬件仿真。在編譯方面，Proteus還支持keil和MPLAB等多種編譯器。

1.3 單片機(jī)虛擬仿真實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

圖1給出了基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實驗室的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)以建立在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺上Proteus軟件平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建了整個單片機(jī)實驗系統(tǒng)的綜合實訓(xùn)和創(chuàng)新設(shè)計平臺。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以完成原理圖設(shè)計、PCB布線以及單片機(jī)編程和系統(tǒng)仿真調(diào)試等一系列工作，實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的整個設(shè)計流程，便于學(xué)生掌握電子系統(tǒng)或產(chǎn)品的這個開發(fā)流程。

2 虛擬仿真實驗室的實驗方法

傳統(tǒng)的單片機(jī)實驗中，硬件部分大多采用市場上完善的實驗電路板或?qū)嶒炏?，學(xué)生在實驗過程中一般不存在硬件部分的設(shè)計。因而，傳統(tǒng)的單片機(jī)實驗基本上是驗證性實驗，其實驗流程可以歸納為“根據(jù)原理圖連線→下載代碼并調(diào)試→運(yùn)行并檢驗實驗結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期”等3大步驟。此類驗證性實驗缺乏創(chuàng)新性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識?；赑roteus的單片機(jī)虛擬仿真實驗室則可以進(jìn)行硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，所有軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和驗證都可以在仿真平臺上進(jìn)行，同時對軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計修改十分簡單便捷，節(jié)約開發(fā)時間的同時降低了開發(fā)成本。于此同時，還可以利用傳統(tǒng)的實驗設(shè)備對仿真實驗的效果進(jìn)行驗證，基于Proteus的單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)其實驗流程見圖2所示。

3 虛擬仿真實驗室的教學(xué)效果

3.1 節(jié)約成本，緩解了實驗室的硬件條件限制

隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)增加與實驗室條件不足的矛盾日益突出，尤其是工科專業(yè)的實驗課程多數(shù)具有實驗儀器成本高、實驗環(huán)境要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

3.2 實現(xiàn)課程教學(xué)模式的改革

引入Proteus虛擬仿真實驗系統(tǒng)后，有利于理論與實踐的聯(lián)系，便于學(xué)生對理論知識的理解和掌握，同時也改變了傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式。

3.3 增強(qiáng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

學(xué)生利用虛擬仿真實驗教學(xué)資源參與教師的教學(xué)和科研項目，并以課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等方式完成課題中的部分任務(wù)。通過這些課題的訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，收到了良好的實踐教學(xué)效果。

4 結(jié)語

構(gòu)建基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實驗室系統(tǒng)，不僅可以緩解實驗室建設(shè)的資金壓力、節(jié)約建設(shè)成本，更可以幫助學(xué)生更好的掌握理論教學(xué)知識，加深對概念、原理的理解。學(xué)生通過該系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，加強(qiáng)學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，引入Protcus虛擬仿真實驗，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于具備工程實踐能力的應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉萌，鄭煊.基于Proteus的單片機(jī)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].山東教育學(xué)院學(xué)報，2009，6（4）：12-15.

[2] 潘輝.Proteus虛擬實驗環(huán)境在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)教育，2010，20（10）：143-146.

[3] 徐小棟，胡春，董守昆.利用Proteus軟件構(gòu)建單片機(jī)虛擬仿真實驗室[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（1）：154-157.