仿真實(shí)驗(yàn)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

單片機(jī)課程是機(jī)電、自動化等專業(yè)的一門重要課程， 可以充分體現(xiàn)學(xué)生利用已學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。在實(shí)際教學(xué)中，受資源限制，學(xué)生動手實(shí)踐的機(jī)會有限。解決此問題的有效辦法是利用計(jì)算機(jī)軟件的仿真技術(shù)，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

一、Lab VIEW仿真軟件簡介

Lab VIEW是一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，用于開發(fā)測試、測量和控制系統(tǒng)。Lab VIEW軟件提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能，所有Lab VIEW在仿真通訊實(shí)驗(yàn)備受教師關(guān)注。但是其軟件本身提供的信號發(fā)生函數(shù)比較固定，在控制領(lǐng)域中不宜適用，而現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集往往很多是利用美國NI公司提供的專用數(shù)據(jù)采集卡，其價(jià)格昂貴，不便于普通技校教學(xué)實(shí)驗(yàn)的推廣。

二、仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

由于學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)課程時(shí)，通常需要完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們在單片機(jī)的教學(xué)中起到非常重要的承上啟下作用。這些實(shí)驗(yàn)原理性強(qiáng)，比較復(fù)雜，學(xué)生難以理解，教學(xué)效果往往不理想。針對以上出現(xiàn)的問題，我們考慮如果能提供一個(gè)軟件仿真平臺，把所做實(shí)驗(yàn)的理論模型和構(gòu)成這些模型的硬件電路清晰地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，可以任意調(diào)節(jié)參數(shù)、改變電路，觀察參數(shù)對模型的影響。利用仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，由以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

一是克服了學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)一般只根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書預(yù)習(xí)，感性認(rèn)識不深， 效果較差。

二是克服了教師課內(nèi)講解，板書加上現(xiàn)場演示，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容認(rèn)識較深，學(xué)習(xí)效果較好。

三是克服了教學(xué)形式單一，內(nèi)容固定，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

四是避免在實(shí)驗(yàn)的硬件電路較復(fù)雜，學(xué)生初次做實(shí)驗(yàn)時(shí)由于盲目的操作，造成硬件電路及元器件的損壞。

五是降低實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

利用仿真工具采用直觀的圖形、圖像、動畫等幫助學(xué)生理解那些抽象的理論。但計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)也有其缺點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)并不能代替學(xué)生做真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。一味地依賴計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，而不在實(shí)驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)電路，那么培養(yǎng)的學(xué)生只會在軟件中看懂電路，識別元器件，大大降低實(shí)際動手能力和維修能力。

三、測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

目前許多普通技師學(xué)院由于經(jīng)費(fèi)或者其他的原因，單片機(jī)技術(shù)和測控系統(tǒng)等這些課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都被壓縮了，很多學(xué)生做實(shí)驗(yàn)都用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材，加上很多人只是追求表面上的成功，不會多花心思去思考實(shí)驗(yàn)的原理和改進(jìn)等方面的問題。這些都限制了現(xiàn)在學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。鑒于Lab VIEW對虛擬串口的支持，這使得單片機(jī)測控實(shí)驗(yàn)有了很好的仿真條件。下面通過測控系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)例來說明仿真實(shí)驗(yàn)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。

1.需求分析和硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有一臺信號發(fā)生器正常工作時(shí)，它的電壓值在一定范圍內(nèi)變化，要求設(shè)計(jì)一測控系統(tǒng)來記錄信號的實(shí)時(shí)曲線并對信號進(jìn)行分析。首先，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)測控系統(tǒng)，根據(jù)以上的要求我們可以利用單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的知識設(shè)計(jì)一簡單的測控電路。

采用虛擬串口芯片MAX2將PC機(jī)和該測控系統(tǒng)連接起來。PC機(jī)接收到系統(tǒng)傳來的信號，使用Lab VIEW在PC機(jī)上直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2.單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主程序和若干子程序構(gòu)成，有A/D轉(zhuǎn)換子程序、中斷定時(shí)子程序組成。

系統(tǒng)開機(jī)后，首先執(zhí)行主程序，完成系統(tǒng)初始化工作，然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，調(diào)用中斷定時(shí)子程序，等待中斷時(shí)間結(jié)束單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，然后循環(huán)執(zhí)行。

3.Lab VIEW程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，Lab VIEW作為上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成對單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行一系列的變換處理。首先，Lab VIEW創(chuàng)建串口對象并初始化，然后向單片機(jī)命令并接收處理單片機(jī)發(fā)回的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

Lab VIEW的GUI在科研實(shí)踐和工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在圖形處理技術(shù)、人工智能等方面。采用GUI可以設(shè)計(jì)出一套友好的界面實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)等方面的處理。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用Lab VIEW仿真軟件相結(jié)合的方式，克服了用昂貴的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)驗(yàn)教學(xué)中硬件電路固定、硬件投入少、學(xué)生不能更改等方面的局限性，可以使學(xué)生充分的學(xué)以致用，理論與實(shí)踐統(tǒng)一的效果，更進(jìn)一步激發(fā)了他們對學(xué)習(xí)的興趣。

（作者單位：鎮(zhèn)江技師學(xué)院）