仿真技術在單片機教學中的應用

石 瑛

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245041）

仿真技術在單片機教學中的應用

石 瑛

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245041）

通過研究傳統單片機教學的弊端,結合教學的實際條件，把PROTEUS應用到單片機課堂教學中，它真正實現了在計算機上完成從原理圖與電路設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統測試與功能驗證到形成PCB的完整的設計與仿真過程。實際應用表明,不但解決了學生實踐能力的培養問題，而且提高了單片機設計過程的效率。

仿真；單片機；PROTEUS；匯編編譯；調試

1 引言

由于計算機技術的飛速發展，許多領域都出現了仿真系統，明顯促進了各領域科技事業的發展。仿真技術的出現與發展是科技發展的必然結果，是現代科技的關鍵技術之一，并逐漸成為科技人員的必備技術。[1]PROTEUS是英國Iabcenter公司研發的多功能電子輔助仿真設計軟件。[2]PROTEUS是模擬電路、數字電路、模數混合電路的設計與仿真平臺,也更是單片機系統先進的設計與仿真平臺。它真正實現了在計算機上完成從原理圖與電路設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統測試與功能驗證到形成PCB的完整的設計與仿真過程。[3]

PROTEUS能設計并仿真由ARM7、805x、PIC、AVR、HCll等系列單片機構成的系統，有數千種元器件仿真模型，有示波器、邏輯分析儀等10多種虛擬儀器，有各種信號激勵源，有ASF高級圖表仿真。PROTEUS還提供了編輯源程序、生成目標代碼、調試和與第三方集成開發環境聯合仿真的環境。PROTEUS為單片機教學與應用研發提供了一個完整的虛擬實驗室。[4]由于PROTEUS仿真模型是根據生產廠家提供的技術參數文件來建立的，所以仿真極接近實際，這使它超越了“虛擬”成為具有現實意義的教學、研發平臺。

單片機教學和實驗中很多重點、難點也無法用演示實驗解釋清楚。學生用單片機實驗箱做實驗，因實驗箱封閉性、顯示信號不佳等缺點致使效果不佳。學生感到難做、難懂，而這些問題都可以用PROTEUS解決。單片機教學的主要目的是讓學生掌握單片機硬件、軟件開發的技能，初步具備一般應用課題設計開發的能力。但是由于教學資源有限，使單片機理論教學和培養學生的實踐能力的差距很大，甚至有些學生學完了一學期的理論課，遇到一個簡單的設計課題就感到無從下手。究其原因，主要是由于課堂教學和實踐相脫節，教師沒有通過課堂教學為學生提供一個設計開發的應用平臺，使得原本簡單的設計過程變得復雜而難以理解，學生沒有得到一定實踐能力的培養。例如，做“用SRAM擴展單片機RAM技術”實驗，如果學生先用PROTEUS進行該實驗的設計與仿真，效果明顯增大。[5]

2 研究內容、目標、要解決的問題和主要特色

2.1 研究內容

2.1．1 將PROTEUS引入課堂教學

依據單片機應用與技術教學大綱的內容，設計演示實驗，根據每章的教學內容，設計實驗見表1。

表1 仿真實驗計劃表

2.1．2 將PROTEUS引入單片機原理實驗室

學生先進行PROTEUS設計與仿真，仿真成功后，再進行實際實驗。PROTEUS參與的單片機系統開發過程一搬分為4步。

1.在PROTEUS平臺上進行單片機系統電路設計、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等(簡稱PROTEUS電路設計)；

2.在PROTEUS平臺上進行單片機系統潦程序設計、編輯、匯編編譯、調試，最后生成目標代碼文件(*．hex)(簡稱PROTEUS軟件設計)；

3.在PROTEUS平臺上將目標代碼文件加載到單片機系統中，并實現單片機系統的實時交互、協同仿真（PROTEUS仿真)；

4.仿真正確后，安裝實際單片機系統電路，并將網標代碼文體(*．hex)下載到實際單片機中運行、調試。若出現問題，可與PROTEUS設計與仿真相互配合調試，直至運行成功（簡稱實際產品安裝、運行與調試)。[6]

2.2 研究目標

1.為提高教學效果，利用PROTEUS仿真軟件把教學大綱的里包含的部分軟件和硬件實驗，在課堂演示，提高授課的效果。

2.把PROTEUS仿真軟件應用在實驗教學中，提高單片機設計的成功率，避免多次修改軟件費時費力。[6]

2.3 要解決的問題

1.教師必須掌握PROTEUS仿真軟件的基本操作，完成單片機教材中的演示實驗內容。

2.實驗教學中學生利用PROTEUS仿真軟件開發產品或進行課程設計，可以經過PROTEUS仿真軟件的操作培訓，這項工作有本項目組成人員共同承擔。[7]

2.4 主要特色

在教學中學生反映單片機課難懂，難學。為提高教學效果，曾將演示電路板或單片機實驗箱帶到教室演示。但教學效果并不理想，而且每次演示前要做很多的準備工作，甚至超過了正常備課工作量的幾倍，費時費力。因為演示的時候除了要帶電路板或實驗箱外，還需要攜帶計算機、電源、仿真器、編程器等。[8]

單片機實驗教學是以MCS-51單片機為核心，在實驗課程設計中單片機應用設計分為硬件和軟件設計的兩方面內容。傳統單片機的設計流程為：

圖1 傳統單片機設計流程圖

把PROTEUS仿真軟件引入到教學和實驗中，使教學效果更生動，更容易讓學生接受，更能激發學生的學習興趣。[9]例如高考倒計時LED顯示牌的設計課題，教師通過板書畫圖可以勾畫出設計的基本界面，或通過多媒體讓學生看到設計的界面和電路板外觀，但是在解釋電路板原理、軟件設計過程和產品工作的動態過程，僅僅用板書和多媒體是遠遠不夠的。圖2是PROTEUS仿真軟件對高考倒計時LED顯示牌的設計課題的仿真截圖和電路板的3D效果圖，學生在課堂上就可以看到整個單片機設計的過程，直觀又生動。

圖2 高考倒計時LED顯示牌仿真效果圖

3 預期效果與具體成果

用PROTEUS仿真軟件把教學大綱里包含的部分軟件和硬件實驗，在課堂演示，提高授課的效果。[10]把PROTEUS仿真軟件應用在實驗教學中，在學生進行單片機課程設計的時候運用PROTEUS仿真，提高單片機設計的成功率，避免多次軟件和硬件，可以節約制作電路板的費用，同時也提高了學生課程設計的效率。

圖3 PROTEUS仿真3D圖

[1]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（03）:65-68.

[2]莊立運,王曉輝.Proteus在數字電子技術課堂教學中的應用探討[J]，科技信息，2011，13:86.

[3]夏新恩.基于PROTEUS仿真設計的實驗教學探索[J].韶關學院學報，2009，30(06):146-150.

[4]趙巧妮.Proteus在單片機仿真中的應用[J].自動化技術與應用，2009，28(06):113-115.

[5]周靈彬,張靖武.創建Proteus動態器件仿真模型的技術[J].現代電子技術，2009，32(12):152-155.

[6]陸中宏.基于Proteus軟件的單片機控制系統設計與制作工業技術與職業教育[J].2011,8(1):40-41.

[7]陳昶.電子仿真軟件在單片機電路仿真中的應用[J].山西科技，2009，(2):35-36.

[8]范程華,蔣先偉,魯世斌,等.Proteus在電工電子實訓中的應用[J].電子設計工程，2011，19（7）:17-19.

[9]蘇變玲,朱志平,袁衛.基于Proteus的單片機仿真教學的研究[J].實驗室研究與探索，2009，28(4):75-78.

[10]黃貞,李俊雄,周朱武.Proteus軟件在單片機實驗教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2009，(9):57-59.

責任編輯：胡德明

Abstract:By studying the defect of the traditional SCM education and combining the actual conditions of teaching,this paper tries to apply Proteus into SCM classroom teaching to complete whole design and simulation process from schematic and circuit design to circuit analysis and simulation to SCM code debugging to system testing to function verification and PCB design and simulation.Practical application shows that it can not only solve problems of training students'practice skill but also improve the efficiency of SCM design process.

Key Words:simulation;single chip microcomputer;PROTEUS;assemble and compile;debug

The Application of Simulation Techniques in Single Chip Microcomputer Education

Shi Ying
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan245021,China)

G642.0

A

1672-447X（2012）03-0128-003

2011-11-09

安徽省教育廳自然科學研究項目(KJ2011B164);黃山學院教學研究項目(2009JXYJ10)

石瑛（1974－），江蘇溧陽人，黃山學院信息工程學院實驗師，碩士，研究方向為機器人及語音識別。