單片機虛擬實驗室的構(gòu)建及其應用

孫萬麟，楊蓮紅，宋莉莉

(昌吉學院 物理系，新疆 昌吉 831100)

單片機課程是一門應用性和實踐性都很強的課程，大多數(shù)大專、高職機電類院校開設的單片機課程都輔以實驗教學，并且實驗教學多使用實驗箱。因?qū)嶒炏溆布l件所限，單片機實驗主要是一些驗證性實驗。實驗箱限制了學生的實踐空間，也抑制了一些學生積極創(chuàng)新和探索的熱情。另外，現(xiàn)用單片機開發(fā)板若要進行單步調(diào)試程序，必須配置單片機硬件仿真器。鑒于這些問題，筆者利用多種軟件聯(lián)合仿真技術(shù)，構(gòu)建了一個利用多媒體電子教室輔助的單片機虛擬實驗平臺，實現(xiàn)了與硬件幾乎無差別的軟件仿真實踐教學。

1 Keil軟件

Keil[1]是目前最流行、使用最廣泛的開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，它集程序編輯、編譯、調(diào)試和仿真等功能于一體，具有操作簡便的Windows工作界面，如今已經(jīng)成為單片機非常重要的軟件開發(fā)平臺，受到越來越多軟件開發(fā)工程師的青睞。

Keil最新版本是Keil C51 μVision4，它既能進行純軟件仿真，也能使用硬件仿真器搭接單片機硬件系統(tǒng)，當仿真器中載入項目程序后進行實時仿真。利用Keil C51 μVision4內(nèi)嵌模塊Keil Monitor-51，還能在沒有額外硬件仿真器的條件下搭接單片機硬件系統(tǒng)，對載入項目程序進行實時仿真。可以說，在教學中使用Keil軟件，就是站在單片機開發(fā)工具的最前沿。

2 Proteus

目前，單片機的軟件仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的Proteus[2-4]仿真軟件是目前最好的單片機及外圍器件的仿真工具。Proteus是一種電子設計自動化軟件，具有Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設計功能，能夠仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。Proteus還提供了含有各種模擬、數(shù)字、交流、直流元器件的30多個元器件庫,元器件多達計數(shù)千種。此外，對于元件庫中沒有的器件,使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。在儀器儀表方面，Proteus除了提供常用的交、直流電壓表、電流表、示波器外，還有邏輯分析儀、計數(shù)器、SPI調(diào)試器、IIC調(diào)試器、信號發(fā)生器、點陣圖形發(fā)生器等特殊的儀器。這些虛擬儀器儀表都具有理想的參數(shù)指標，盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。

Proteus不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路及沒有單片機參與的其他電路的工作情況，而且還具有圖形動態(tài)顯示功能，可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時地顯示出來。

利用Proteus仿真軟件，在沒有硬件的情況下，不僅可以增強實驗驗證的隨時性，而且可以將許多單片機實例仿真過程形象化，易于學生理解系統(tǒng)硬件的組成，能大大提高學生的學習興趣，增強教學效果，是單片機實踐教學的先進手段。

3 多媒體電子教室

目前，高校多媒體電子教室[5]主要有3種形式：純軟件多媒體電子教室、純硬件多媒體電子教室及軟硬件相結(jié)合多媒體電子教室。多媒體電子教室提供了“教師—教師機—多學生機—學生”的實時交互環(huán)境，集網(wǎng)絡教室、多功能教室、語音教室等功能于一體，是一種全新的教學環(huán)境。在多媒體電子教室中，學生可以與計算機進行雙向交流，充分利用多種教學媒體進行學習，并且能參與教學活動，自己控制學習進度。

隨著電腦處理能力的增強，多媒體電子教室得到了更快的發(fā)展，可以通過純軟件方式實現(xiàn)屏幕廣播、網(wǎng)絡影院等多媒體功能，并且在延時處理、視音頻同步的技術(shù)處理上都有了巨大的突破，多媒體電子教室的應用在學校得到普及。

4 單片機虛擬實驗室

本文綜合利用多媒體電子教室軟件、電路設計仿真軟件Proteus及單片機程序開發(fā)工具Keil，構(gòu)建了一個完整的單片機虛擬實驗室。

4.1 Proteus與Keil的設置及其仿真

(1) Proteus目錄下的VDM51.dll是用以進行仿真通信的動態(tài)鏈接庫文件，將其拷貝到Keil安裝目錄的C51/BIN文件夾中。

(2) 在Keil軟件啟動時，將從TOOLS.INI文件中讀取配置信息，以更新開發(fā)環(huán)境中的一些選擇項，而這里的聯(lián)合仿真需要將TOOLS.INI文件進行修改，具體修改信息如下：

TDRV7=BINDAS2XC800.DLL(″Infineon DAS Client for XC8)

TDRV8=BINVDM51.DLL(″Proteus VSM Monitor-51 Driver″)

RTOSO=Dummy.DLL(″Dummy″)

(3) 將Keil的仿真模式改為聯(lián)合仿真，并且對選擇的“Proteus VSM Monitor-51 Diver”進行設置。若Proteus與Keil安裝在同一臺計算機上，則選“Host”且地址為“127.0.0.1”，即回環(huán)通信，也就是計算機自身和自身的通信；如不是同一臺計算機，則填寫另一臺計算機的IP地址，實現(xiàn)遠程聯(lián)機仿真；“Port”一欄填寫“8000”，一般保持其為默認值；

(4) 打開Proteus軟件，單擊主菜單里的DEBUG，選擇“use remote debug monitor”。

4.2 Proteus與Keil離線聯(lián)合仿真

(1) 采用Keil軟件建立項目文件并進行相應的設置。

(2) 在項目文件下添加編譯成功的源程序并生成單片機能夠識別的HEX文件。

(3) 運行Proteus軟件，搭建相應項目實現(xiàn)的硬件原理圖。

(4) 快速右擊、左擊原理圖中的MCU模塊(如AT89C51)，此時彈出一個對話框，選擇用Keil軟件生成的項目文件所對應的HEX文件，就實現(xiàn)了HEX文件與原理圖的關聯(lián)及綁定。

(5) 點擊Proteus軟件的運行按鈕，單片機就會按照加載的HEX文件進行靜態(tài)或動態(tài)仿真。

以液晶顯示電路為例，運用Keil軟件完成液晶顯示源程序編譯，采用Proteus軟件搭建液晶顯示硬件原理圖，進行離線聯(lián)合仿真，其運行結(jié)果如圖1所示。

圖1 液晶顯示運行結(jié)果

由圖1可知，Keil和Proteus聯(lián)合仿真實驗平臺只需要配置一般的電腦、Keil和Proteus軟件就可以實現(xiàn)，可以很好地解決傳統(tǒng)單片機實驗教學中存在的實驗設備經(jīng)費投入多、實驗內(nèi)容缺乏靈活性、實驗儀器設備損耗大和維護工作量大等弊端[6-9]。與實驗箱相比，仿真過程生動直觀，操作靈活，容易調(diào)動學生的積極性，為單片機實踐教學提供了一個良好的實驗平臺。

4.3 構(gòu)建虛擬實驗室

本文構(gòu)建的單片機虛擬實驗室[10-12]主要設備有：50臺學生機(排為2列、采用PXE無盤技術(shù)組網(wǎng)、須安裝Proteus與Keil軟件)、1臺服務器、1臺教師機(須安裝Proteus與Keil軟件)、組網(wǎng)設備(主要包括交換機、網(wǎng)線以及ADLS modem等)、投影機、分屏器、音響系統(tǒng)(2臺音箱呈對角線放置)以及大屏幕(前后各1個)等，其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 單片機虛擬實驗室布局示意圖

單片機虛擬實驗室以與校園網(wǎng)互聯(lián)的Proteus軟件平臺為基礎，可以進行實驗、實訓項目，從原理圖設計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到PCB板設計，都能夠?qū)崿F(xiàn)教師和學生全方位互動教學，因而會大大提高實踐教學效果。當然，初學者也可以通過大屏幕觀看教師的每一步操作，然后在自己的電腦上一步步跟著教師完成實驗。

要完成一個虛擬實驗，首先要通過Proteus繪制單片機實驗板電路圖，這能幫助學生深刻理解單片機各引腳的功能、單片機內(nèi)部硬件資源的分配以及單片機各引腳與外部硬件電路的連接。然后，需要使用Keil編寫及調(diào)試控制程序代碼，再對Keil 和Proteus進行聯(lián)調(diào)?？梢圆捎脝尾秸{(diào)試程序，這時可以實時觀察到單片機程序運行的現(xiàn)象，實現(xiàn)與硬件幾乎無差別的軟件仿真，從而提高實踐教學的效果。

由于是軟件設計仿真實驗，學生思維大可不被實驗箱硬件電路所局限，不僅能開拓學生的視野和方便學生后期對其設計進行靈活調(diào)整，而且還能通過簡便的操作實現(xiàn)設計電路模塊的移植，而這會為C51或AVR單片機項目工程設計奠定一定的基礎。除此之外，在教師的教學科研項目、學生的設計創(chuàng)新項目以及畢業(yè)設計中，先進行電路仿真、再制作電路板及焊接硬件電路，不僅能大大提高電路設計的成功率，而且也會減少電子元器件的浪費[13-14]。

5 結(jié)束語

在單片機虛擬實驗室，學生可以使用Keil作為軟件調(diào)試平臺，以Proteus作為硬件仿真和調(diào)試平臺，不需要任何硬件就可以進行仿真實驗，就像使用硬件一樣。單片機虛擬實驗室不但縮減了理工科單片機實踐教學中采購單片機實驗箱和仿真器、更新實驗電路板以及設備維護修理的費用；還實現(xiàn)了師生全方位互動實踐教學，并有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和改善單片機實踐教學的效果。

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