单片机虚拟实验室的构建分析

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摘要：高校单片机课程教学存在课堂与实验脱节、实验室维护成本高、学生学习效果不高等缺点，在教学改革中有必要引入基于Proteus和Keil技术为核心的虚拟实验室教学手段。本文简单介绍单片机虚拟实验室的构建模式，从教材的选择、仿真模型的设计、实验操作的开展、自主性与创新性实验的探索等方面作出相应的改革，提升了教学质量与效果，得到师生的充分肯定。并列举教学实例说明。

关键词：单片机；虚拟实验室；Proteus；Keil

1概述

1.1课程介绍。单片机作为一种最基础的电气智能化控制部件，被广泛应用在数码控制、汽车制造、通讯、电器电子等方面，大到飞机邮轮，小到空调遥控器。目前单片机有关课程已经是高校信息工程、电气工程、自动化工程、应用电子技术等专业的一门专业核心课程，该课程注重理论与实践的综合培养，强调学生动手能力与创新思维的培养，该课程的开展为培养工程技术人员奠定了良好的理论和实践基础[1]。1.2教学改革的必要性。在实际的学习过程中，学生反映这门课程过于抽象、晦涩难懂，理论课程中，仅通过书本与幻灯片无法理解单片机内部结构、框架流程、工作原理；实验课上，学生只会按照既定步骤，机械的去重复实验操作，对于其中原理知之甚少，也无法与理论融会贯通。溯其根源，还是因为单片机是一门硬件与软件、理论与实践高度结合的课程，需要同时进行学习与验证。只学习理论，会觉得过于抽象、无法理解；只学习实验，则变成机械模仿，无法掌握理论知识。同时由于实验室承载能力与课程学时限制，学生动手操作机会比较有限。再加上实验室设备的有形损耗（包括老化、故障、误差过大等）与无形损耗（技术的进步导致设备落后），这都增加了实验室的运行与维护成本。另外，出于对师生人身安全与设备安全的考虑，课程多为验证性的实验，无法开展自主与创新性的实验。这种情况下，课堂的创新氛围与学生的兴趣也难以提高，最终导致该课程枯燥乏味。为提升教学质量，国内外很多高校都在采用图形化、仿真模拟与虚拟现实等方法推动虚拟实验室建设[2]，操作者可以在计算机上模拟真实实验室条件下的实验操作，可以更加直观的了解内部结构、任意变更参数重复实验、降低成本、提高人身与设备安全性。这项技术已经广泛运用在机械、电子、物理、化学、医学等学科。

2核心技术

虚拟实验室在单片机领域主要包含以下两个核心技术：2.1Proteus软件。Proteus是英国LabCenterElectronics公司开发的E－DA程序（仿真软件），是目前业界技术含量最高、型号最齐全的微控系统仿真平台软件。与同类产品相比，Proteus除了具备仿真功能外，还可以实现仿真单片机以及附属外部设备[3]。该软件从框架结构设计、参数调试到单片机与外接设备协同仿真，快速转换到PCB（PrintedCircuitBoard印刷线路板）设计，可以将思路与产品完美衔接。该软件不仅支持采用PLM（计算机编程语言）、汇编与C语言进行程序开发，同时支持多窗口、多文件编辑，支持兼容市面上常见芯片模型。Proteus主要包括设计图输入系统ISIS、动态原件库、混合仿真器、以及印刷线路板编辑器ARES等。元件库包括数字与模拟、直流与交流、信号发生器、示波器等多种虚拟设备。Proteus软件不只是一个单片机的仿真环境，更是一个拥有无穷扩展范围与创新空间的实验平台。在缺乏必要的输入、输出、显示、调试等硬件设备的条件下，依然可以利用该软件，清晰形象的了解单片机的结构原理、方便快捷的展示实验过程与结果。既克服了硬件与学时上的困难，又提高了学生的掌握水平，培养了学习兴趣，扩展了创新思维。这是过去的“灌输式”课堂与“模仿式”实验所无法达到的效果的。2.2Keil软件。Keil是使用最广泛的采用C语言的单片机开发软件，由美国KeilSoftware公司出品。与汇编语言相比，C语言功能强大、结构简单、可读性强、维护方便。同时Keil拥有一整套开发程序，包括C语言编译、宏汇编、项目链接、数据运行库管理以及仿真调试模拟器等等，这些功能都被组合成一个集成开发软件。该软件安装简单、功能完善、调试准确、工作效率高、生成汇编代码紧凑、便于理解与纠错[4]。2.3协同作用。为了建设虚拟实验室，需要将二者紧密联系在一起。Proteus不仅支持MCS系列以及派生系列的单片机，同时也支持AVR和PIC核心的单片机。Proteus软件可采用模拟与数字、直流与交流等数千种元器件，以及数据库中没有的型号，也可以根据实验需求进行创建。这就需要将C语言与汇编语言进行编译，然后进行软件与硬件的仿真模拟。解决了这个框架问题后，采用Proteus建设虚拟实验室就水到渠成了。

3虚拟实验室的建设

构建单片机虚拟实验室，硬件上需要计算机与互联网或者局域网，软件上需要计算机操作系统、Proteus和Keil软件，外观上就像一个普通的计算机房。虚拟实验室将电脑网络、虚拟现实与多媒体交互等技术融合在一起，学生通过计算机接入互联网或者局域网内的虚拟实验室系统，通过输入终端与虚拟软件进行交互，输入参数，设定程序，就可以方便快捷的得到相应的结果。[5]每个学生都有足够的时间和亲自动手的机会，来进行实验，这在传统的真实实验室中是很难做到的。3.1虚拟实验室的框架。从结构上看，单片机虚拟实验室分为管理模组和教学模组。管理模组分为教师、学生、管理员三个功能，在系统登陆与权限上予以区别，是为了方便教师授课、学生学习、管理员维护系统而设置。通过网络的连接，教师可以将实验任务与内容快速发送到学生界面、学生实验操作也可以及时反馈到教师终端，提高了学习效率，活跃了课堂气氛。教学模组提供了丰富的单片机结构与原理教学课程，学生可以预习课程内容、开展虚拟实验以及生成与修改实验报告。见图1。从教学内容上看，单片机虚拟实验分为验证性与创新开发性实验两种。实验模板结构通常由教师提前设定统一格式，并下发给学生终端。模板包括：实验名称、元器件库、实验工作区与提示项等内容。实验名称指明本次实验的目的，元器件库限定本实验所需的元器件、实验工作区为学生实验的主要活动区域、提示项则包含实验要求、程序设计难点、如何排除故障等。3.2虚拟实验教学过程。实验教学可以采用投影仪演示操作，也可使用局域网同步演示、或者播放视频操作，讲解实验原理以及具体操作。学生实验操作，包括：Proteus软件中设计电路流程图、Keil软件中编写程序并编译、项目装载到虚拟单片机、程序调试、验证结果正确性、输出实验结果。如果结果错误，则重新编写Keil程序。实验完成后，学生将实验结果输入到电子实验报告系统中，通过局域网或者互联网上传到教师终端，完成本节课的实验任务。可以看出，与传统实验室操作相比，虚拟实验室能够提供标准化、形象化、易操作、界面互动性强的实验课程，每个学生都能够更直观的理解单片机、亲自动手进行操作，达到事半功倍的学习效果。在自主创新性试验中，由于虚拟实验室摆脱了对实验室硬件、人身安全、设备维护检修等限制条件，学生们可以更加开放的去设计电路，充分发挥学生的主观能动性，调动学生的学习兴趣，在今后走向工作岗位中，打下了良好的专业基础。

4教学实例

下面以“控制秒表的启动、停止和清零”为例，介绍如何用protues和keil实现单片机虚拟实验的完成。任务要求：单片机系统的振荡频率fosc=11.0592MHz，设计一个启动、停止和清零受按键控制的秒表。S0键作启动键，按S0键，启动秒表走时。S1键为停止键，按S1键，秒表停止走时，显示时间一直保持不变。S2键为清0键，按S2键，秒表停止走时，显示数值为0。上电时，秒表停止计时，数码管显示0秒。本任务中，数码管采用动态显示，用P1和P2口控制显示。P1口作段选口，P2口作位选口。键盘采用独立式按键，P3口键盘的控制口，P3.0、P3.1、P3.2分别连接S0、S1、S2三个按键。T0、T1都做定时器使用。T0控制键盘扫描和数码管扫描的时间间隔。T1做秒表的定时器。首先在protues建立如图2的硬件电路图。在keil环境中建立项目文件，进行相应设置后新建scdclock.c，经编译后生成二进制目标文件scdclock.hex，在protues环境下将程序载入单片机，运行电路后就可以看到任务要求的实验效果。[6]本任务中需要对定时计数器的TH0、TH1、TMOD、TCON以及中断寄存器IE、中断优先级寄存器IP进行设置，也用到了键盘扫描、键码识别、键盘去抖等相关知识，还用到了数码管的连接、动态显示等相关知识。通过对本任务的学习，可以使学生及时而准确的掌握所学知识、掌握单片机软硬件综合开发能力。

5结束语

单片机虚拟实验室的构建，不仅可以对单片机课程改革注入了强大的活力，提升教学质量，减少了实验室硬件维护开发成本，更重要的是将单片机这门抽象复杂的专业核心课程以另一种直观、形象、具体的形式展现在了学生面前，使得学生学习效果得到很大的提高，为今后的学习工作打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]张兰华，邹华，刘纯利.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]李昌.基于虚拟实验软件的高职单片机教学改革[J].中国教育信息化，2013（24）：35-36.

[3]刘炳尧.KeilC+Proteu6.9-搭建自己的单片机仿真实验室[J].电子制作，2013（8）：52-54.

[4]许超，吴新杰，张丹.基于Proteus和Keil的单片机课程教学改革[J].辽宁大学学报（自然科学版），2011（1）：27-29.

[5]朱韶平.基于虚拟实验的《单片机原理与应用》实验教学改革研究[J].赤峰学院学报，2015（31）：34-36.

[6]李文华，单片机应用技术[M].大连：大连理工出版社，2018.

作者:刘云朋 王春霞 单位:焦作大学