電子虛擬實驗室創建探索

董李江

(江蘇經貿職業技術學院工程技術學院,南京 210007)

電子虛擬實驗室創建探索

董李江

(江蘇經貿職業技術學院工程技術學院,南京 210007)

實驗室對于電子類專業的學生具有重要的作用,由于實驗室建設的滯后和技術的快速發展,有些實驗室已經不能滿足正常的教學和實驗需求。提出一種基于三個仿真軟件的虛擬實驗室建設,可以在電腦上利用仿真軟件,再現實驗的過程和實驗結果,不但能夠大大降低實驗室的建設經費,而且能有效地提高學生的學習興趣和學習效率。

虛擬實驗室;Multisim;Keil C51;Proteus;仿真

電子類專業許多課程如數字電路、模擬電路、單片機原理與應用等需要利用實驗室進行日常的實踐教學。實驗室不但是學生的實驗基地,也是教師教學、科研的重要場所。然而目前高校招生規模日益擴大,教育經費投入不足,教學儀器設備得不到及時更新和補充,同時新技術、新設備層出不窮,導致有些實驗室已經不能滿足基本的教學需求,利用實驗室進行教學效果不甚理想。為了解決實驗室設備無法滿足實驗教學需求的矛盾,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建方案。

1 虛擬實驗室總體框架

虛擬實驗室總體架構如圖 1所示,整個虛擬實驗室是基于Multisim、Keil C51、Proteus三大軟件構成的。其中的 Mul2 tis im軟件可以負責模擬電路以及數字電路方面的實驗課程,而將 Keil C51和 Proteus結合則可以從軟件和硬件兩個方面對單片機系統進行完整的仿真。在教學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、查看電路的運行結果。通過虛擬實驗室這一平臺,可以在教學中做到學做一體,學生在學習的同時進行實驗,同時仿真軟件將結果展現,立刻可以獲得實驗結果,可以大大提高學生的學習興趣,從而提高學習效率。

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字電路,還支持對一些單片機的仿真,在教學和工程中應用廣泛。利用Multisim自帶的零件庫,可以搭建簡單的數字電路或者模擬電路,并且進行相應的仿真,軟件中進行的操作和進行實際電路搭建基本相同,仿真過程可以當作實驗過程。同時軟件的更新速度較快,可以和當前最新的器件同步,將最新的技術展示給學生[1]。

1.2 Keil C51軟件

Keil C51集成開發環境是一款優秀的基于Windows的單片機軟件開發平臺。Keil C51以其優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語言的程序設計,是單片機學習和開發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部寄存器信息和程序運行結果以直觀、友好的界面進行展示。將該開發環境應用于單片機課程教學中不僅能夠增強學生的教學互動性,同時還為提高學生的實踐教學打下良好的基礎,為日后進行單片機應用系統的軟件開發鋪平道路。同時,軟件還能生成單片機程序對應的 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,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果。Proteus軟件提供的多達數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計效率,降低開發成本。

2 虛擬實驗室實例分析

虛擬實驗室不但可以進行常規的仿真實驗練習,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果。

常規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部后,單片機系統才可以開始運行,需要不少的硬件設備和操作過程,而利用軟件仿真則將這些步驟都集中在兩個軟件內。下面以單片機驅動數碼管計數為例介紹仿真設計的硬件和軟件兩個方面。

2.1 硬件電路設計

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,將單片機的 P1口連接到七段碼數碼管,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,復位電路也都沒有連接,這些在仿真軟件中可以不接,系統默認單片機處于正常工作狀態,因此在做簡單仿真時,可以省略這些電路,以節省時間。

2.2 軟件編程設計

設計完硬件電路后,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,并且在工程設置中選擇生成hex文件,此文件作為 Proteus中單片機的執行程序。設置完成后進行編程,程序如下:

程序完成經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,就可以發現數碼管已經開始以固定的速度從 0至 9開始計數,如圖 3所示,表明 Proteus已經將 Keil生成的程序調入單片機中運行,兩個軟件聯合效果良好。

3 結語

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

[1]聶典.Multis im 9計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京:電子工業出版社,2007.

[2]陳炳杰,余里超.基于 Proteus與 Keil的虛擬實驗室構建[J].茂名學院學報,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:北京航空航天大學出版社,2006.

G642.0

A

1674-6341(2010)02-0105-02

2010-03-04

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

責任編輯:張耀華