基于Proteus的網絡化虛擬單片機開放實驗室建設探索

摘 要: 通過對單片機實驗課程的實驗環境、實驗內容和實驗室管理現狀進行分析，作者找出了現存實驗的不足，并針對這些問題，提出了基于Proteus的網絡化虛擬單片機開放仿真實驗室建設目標，從而解決了現存實驗教學中的問題。

關鍵詞: 單片機 Proteus 網絡化虛擬單片機 開放實驗室

1.引言

高校實驗室不僅要滿足課程實驗的需要，而且要為科研和學生的個性化發展提供基地。它是培養具有工程實踐能力應用型人才的重要保障，直接影響著創新人才的培養質量。實驗室的建設和管理是教學改革的重中之重，其中實驗室的開放是實驗室生命的源泉，而這一點常常被人們忽視[1]。我通過分析所在學校單片機專業實驗教學的特點，以及單片機實驗室教學中存在的問題，提出了網絡化虛擬單片機開放實驗室的建設方法，并根據學校現狀，對實驗室的網絡化和單片機實驗平臺的虛擬化，以及實驗室開放管理等方面進行了探索研究。

2.單片機實驗室現狀

《單片機原理及系統設計》課程的特點是應用性強，要求有較多的動手實驗。實驗室的開放性與硬件實驗資源的充足程度是讓學生有更多動手實踐機會的關鍵所在。目前，我校單片機實驗教學平臺結構如圖1所示。主要存在如下不足。

2.1實驗條件不足，開放度不夠。

目前，很多學校都嘗試開放實驗室，希望能夠讓學生變被動學習為主動探索，這有利于培養學習的創新精神和實踐能力，提高綜合素質。但是，由于實驗條件所限，往往效果都不盡如人意。以我院為例，《單片機原理及系統設計》實驗室的硬件情況是約20臺套實驗硬件平臺，開設實驗時，每組3—4人。這樣，每次操作的學生只有1—2人。另外，實驗課程平均每學期80學時，而實驗室開放時間大約50學時/學期，其他時間基本都是空閑的。顯然，由于實驗硬件條件、時間和空間所限，該實驗課程的開設條件不能為學生提供更多的動手機會。

2.2實驗教學內容陳舊，實驗缺乏創新。

由于實驗教學時數所限，學生在實驗課程中的教學內容都相對簡單，并且大部分的實驗都是驗證性實驗。按照實驗指導書提供的操作步驟，學生在整個實驗過程中都是“傻瓜式”操作。對于不善于思考的學生，不能很好地起到思維訓練的教學目的。另外，學生所做的實驗內容都相對較固定。由于硬件實驗箱所限，學生不能靈活完成綜合性的設計性實驗內容。這一點不足，在每學期學生做課程設計的時侯，顯得尤為突出。

2.3設備管理維護困難。

由于在實驗過程中，學生的流動性比較大，常常出現實驗箱中元器件燒壞、實驗臺式電腦的軟件平臺丟失文件和其他的一些問題。這些問題給實驗室的管理和維護都增加了不少人力和硬件成本。另外，對于開放實驗室時間，需要額外為安排工作人員負責管理實驗室，這也增加了管理成本。

3.基于Proteus的網絡化虛擬單片機開放實驗室

通過以上對我院《單片機原理及系統設計》實驗室、實驗課程與管理方面存在問題的分析，論文下面對具有網絡化的單片機開放實驗的建設方案進行了研究和探索。

3.1 Proteus的功能。

Proteus是英國Labcenter公司開發的電路分析、實物仿真與印制電路板設計軟件，它可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路，軟件提供了大量模擬與數字元器件與外部設備，以及各種虛擬儀器，特別是它具有對單片機及其外圍電路組成的綜合系統的交互仿真功能。它支持的單片機類型很多，支持大量的存儲器和外圍芯片，并在同類產品中具有明顯的優勢，是未來單片機系統設計開發的新趨勢之一[2]。Proteus有相應的網絡版產品，支持局域網聯網工作，這使得建立虛擬開放的單片機仿真實驗室成為可能。

3.2網絡化單片機虛擬實驗平臺。

針對現有實驗平臺存在的不足，充分利用Proteus軟件的強大單片機和外圍電路仿真功能，以及支持網絡平臺聯網功能的特性，結合我院實際情況，我構建了以下網絡化單片機虛擬開放實驗室平臺，如圖2所示。

網絡化的單片機虛擬開放實驗室總體上包括3部分內容。第一部分是整個網絡的管理部分，即圖中的網絡管理中心部分。該部分的主要功能是完成整個網上開放實驗室的服務器部分。Proteus服務器上需要安裝網絡版的Proteus軟件，該軟件是進行校園內網上單片機系統設計和模擬仿真的基礎軟件。整個網絡管理中心網絡通過校園網與學生宿舍和實驗室(教師辦公室)相連，以便于用戶隨時可以在網絡上進行“開放”的單片機系統仿真實驗。第二部分是校園網部分。該部分基于我校現成的校園網絡環境，提供虛擬開放實驗室的網絡和計算機平臺。第三部分是分布在校園內的各種Proteus客戶終端。客戶終端主要由兩大類用戶構成，即宿舍內的學生個人電腦和實驗室、辦公室的電腦。所有的客戶端需要安裝Proteus的客戶端程序。客戶端通過校園網絡可以隨時使用網絡中心服務器上的資源包。

3.3網絡化虛擬單片機開放實驗平臺的優點。

首先，現有電子類實驗室是封閉式的實驗教學模式，即在規定的課時時間內，學生在規定的場地內，進行規定的實驗內容;現有的各種電子類教學實驗，基本是進行固定程式的驗證式實驗，實驗所用的元器件，線路板已選好，學生所做的工作僅是對實驗箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立相應概念而已。理論上，以上不足都不利于鞏固所學內容、提高實驗效果;不利于提高學生的學習積極性和培養學生的創造性思維。當采用基于Proteus的網絡虛擬實驗室，有利于克服以上不足。

其次，在實踐方面，基于Proteus的網絡虛擬實驗室，一方面，解決了時間與場地的限制(建立Proteus的網絡服務器，只要有網絡，隨時隨地都可以登錄服務器學習)，使學生能有充夠的時間深入了解及研究實驗的內容，學生對實驗的興趣也得到了鼓勵和保護。另一方面，有利于學生創新思維能力的培養。基于網絡的Proteus虛擬實驗室，使得以下過程成為可能:學生從有一個概念(或想法)開始，然后著手電路原理圖的設計、編寫程序代碼、調試、PCB設計，最后形成產品的整個開發過程的訓練。

最后，利用Proteus軟件建立的單片機虛擬實驗室，只要配備相應的軟件，就可以作為電路分析、電子技術、嵌入式等課程的虛擬實驗平臺。因此，該實驗平臺將是一個多功能的、先進的、創新型的、易于管理和維護及低投入高回報的實驗平臺。

4.結語

網絡化虛擬單片機開放實驗室不僅合理利用了學生個人的電腦資源，在開發和網絡化的實驗環境中學生隨時都可以做實驗，而且網絡化的平臺降低了管理人員的數量和維護工作量。該平臺能給予學生更大的自由度，培養學生的創新能力，極大地提高實驗教學質量。

參考文獻:

[1]謝玲等.高校開放嵌入式實驗室的探索[J].計算機教育，2010，(7):55-57.

[2]Proteus與電子學教學，http://www.windway.cn/Plans.asp?sid=67.