單片機實驗室的建設

摘 要：單片機是電子工程專業(yè)的一門關鍵學科，也是一門實踐性很強的學科，因此在單片機教學過程中，單片機實驗室發(fā)揮著重要的作用。但是就目前而言，單片機實驗室教學存在著很多問題，通常情況下只配置了數(shù)量有限的硬件設備，不能提供數(shù)量足夠的仿真器、編程器、實驗電路等設備，在理論課堂中也沒有足夠的輔助軟件協(xié)助教學，缺乏軟環(huán)境的建設，在設備維護保養(yǎng)方面也沒有做出相應的重視。

關鍵詞：單片機；實驗室；建設

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.096

0 引言

單片機課程是一門實踐性非常強的課程，原理性非常抽象，學生學習起來比較困難，因此需要開設單片機實驗實訓課程輔助教學，通過大量的實驗項目幫助學生更好的理解課程理論知識，同時不斷提高學生的實踐操作能力，讓學生真正掌握單片機在實際生活中的運用。近年來，隨著仿真技術的發(fā)展，仿真單片機的建設已經(jīng)在高校得到了廣泛的應用。

1 仿真單片機實驗室的建設方案

1.1 傳統(tǒng)單片機實驗室存在的不足

在傳統(tǒng)的的單片機實驗室中，學校需要投入大量的資金建設各項設備，隨著高校招生規(guī)模不斷擴大，需要建設大量的實驗設備，者對學校來說是非常困哪的，很多單片機教學儀器和設備都得不到及時的配置和更新，一些硬件設備還停留在比較落后的階段。此外，由于儀器設備的重復使用，很多儀器容易老化和發(fā)生故障，而對儀器設備的維護和維修力度不夠。在實驗教學過程中，教學內(nèi)容往往局限了一些驗證性實驗，缺乏對學生自主探究能力的提高和培養(yǎng)。在以往的實驗教學過程中，學生通常是在教師的引導下完成實驗步驟，從而掌握一定的實驗技能。通過這種實驗方式，雖然學生對于單片機技術有一定的了解，同時也掌握了相關的實驗技能，在一定程度上提高了學生的實踐動手能力。但是，學生在實驗過程中，依然沒有進行主動學習，無論是實驗步驟還是實驗探究目的都是固定的，學生并沒有經(jīng)過自身的思考，對于提高學生的實驗探究能力并沒有多大幫助。

1.2 仿真單片機實驗室的優(yōu)勢

考慮到傳統(tǒng)單片機實驗室存在的多種問題，基于仿真軟件的單片機實驗室建設的運用越來越廣泛。通過單片機仿真實驗室，很多仿真的實驗和工作都可以在軟件的環(huán)境中得以實現(xiàn)，不僅使學生的實驗教學更加便捷，同時還可以減少單片機實驗室建設的大量資金，解決了資金不足的困境。仿真單片機實驗室的建設是以 Proteus 為軟件平臺設計制作的一套單片機實驗系統(tǒng)，在這套單片機實驗系統(tǒng)中，主要包括LCD 模塊、數(shù)碼顯示模塊、板上集成 LED 模塊、鍵盤模塊、串口通信模塊和蜂鳴器模塊等，可以實現(xiàn)串口通信系統(tǒng)、I/O 口設計系統(tǒng)的應用等。在仿真單片機實驗室中，學生可以從簡單到困難掌握單片機技術，通過對復雜項目的分解，可以幫助學生更直觀的認識、更好的理解。在仿真單片機實驗室中，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室的所有功能，此外，還可以提供開放性實驗的服務，學生可以利用自己所掌握的知識設計自己的電子產(chǎn)品。

1.3 Proteus 軟件的強大功能

Proteus 軟件是混合電路仿真軟件，具有數(shù)字電路、模擬電路和模/數(shù)混合電路的仿真平臺和設計平臺，也是多種型號微控制器系統(tǒng)的仿真平臺和設計平臺。通過Proteus 軟件，可以在計算機上進行電路分析和設計等。Proteus 軟件主要有兩個部分組成，智能原理圖輸入、模擬系統(tǒng)和高級布線及編輯軟件。Proteus 軟件具有非常強大的功能，可以提供非常豐富的元器件庫，共有三十多個庫共八千多個元器件，具有數(shù)字電路、模擬電路的仿真，用戶主要通過單機鼠標、可調(diào)電阻和電位器等外設的模型，就可以根據(jù)輸入的信號使單片機做出對應的響應，并且將處理結(jié)果顯示在動態(tài)的顯示器中，從而是吸納了用戶和系統(tǒng)的交互性仿真。其次，Proteus 軟件還可以提供多種虛擬儀器和各種調(diào)試信號，例如信號發(fā)生器、示波器以及顯示設備，從而使系統(tǒng)的仿真調(diào)試更加方便。除此之外，Proteus 軟件還可以支持主流單片機系統(tǒng)的仿真，比傳統(tǒng)的單片機實驗班支持的系統(tǒng)和芯片要多的多。Proteus軟件具有調(diào)試功能，具有設置斷點、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境實現(xiàn)調(diào)試功能。Proteus軟件還具有PCB設計功能和原理圖繪制功能，可以生成多種不同形式的文件，并且提供專用的PCB設計工具，從而進行設計。

2 仿真單片機實驗室的建設過程

在構(gòu)建仿真單片機實驗室的過程中，主要包括四個方面的過程，Proteus仿真軟件的安裝運行、設置實驗室的硬件電路、由Proteus仿真軟件提供實驗室資源和Proteus仿真軟件的調(diào)試。

2.1 Proteus仿真軟件的安裝運行

Proteus仿真軟件的安裝是在默認的目錄下完成的，安裝完成之后就是要運行Proteus仿真軟件的ISIS程序。ISIS程序的運行是在仿真軟件的主頁面上，將system下的圖形、顏色以及view菜單下的捕捉等設置好。選擇工具欄中的p命令，此時就可以在pick devices的窗口中選擇實驗室構(gòu)建需要使用的元件，并將這些元件放置在相應的位置，設置好元件的參數(shù)，并將不同的元器件之間用線連接。完成之后，則需要在source菜單下選擇Define code generation tools菜單命令，選擇編譯程序的方法、擴展名和工具等，在source菜單命令下加入單片機硬件電路的對應程序，通過一定的命令仿真電路和程序的具體運行情況。用debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動程序使其運行，選擇debug菜單下的pause 健或者pause animation菜單項使系統(tǒng)的運行暫停，而debug菜單下的stop animation菜單項則可以使系統(tǒng)的運行停止。

2.2 設置實驗室的硬件電路

設置實驗室的硬件電路需要從兩個方面來完成，包括系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置。系統(tǒng)配置主要是按照系統(tǒng)的實際要求來對外周設備進行配置，并且設計合適的電路接口。系統(tǒng)擴展是當單片機自身的功能單元不能滿足應用系統(tǒng)的需求時使用的功能，例如單片機的計數(shù)器、定時器等功能單元不能滿足系統(tǒng)的需求，就需要在片外進行擴展，選擇合適的芯片設計電路，從而使容量滿足系統(tǒng)的需求。

2.3 Proteus仿真軟件提供實驗室資源

Proteus仿真軟件提供的實驗室資源主要有三個方面的資源，主要包括元件庫、虛擬測量工具箱和圖形顯示功能模塊。Proteus仿真軟件可以提供三十多個元件庫，共有八千多個元器件。元件庫主要包括二極管、三極管、電阻、電路和電容、交流電路、直流電路等各種元器件的元件庫。正是因為Proteus仿真軟件可以提供豐富的元器件庫，因此在進行原理布圖時，只需要通過對應的元器件之間的連線和調(diào)用就可以實現(xiàn)，正確的設置每一個元件的屬性，就可以完成整個原理的繪圖，接下來就可以進行仿真實驗和虛擬測量了。

Proteus仿真軟件提供的虛擬測量工具箱就是提供虛擬測量功能的工具，在單片機的實驗室中，儀器儀表的測量工作是一個非常關鍵的工作，因此必須要具備一定數(shù)量的測量工具，包括各種類型的，才能保證對不同測量要求都可以進行測量工作，為了保證測量的精密度，還需要保證工具箱的質(zhì)量。Proteus仿真軟件的虛擬工具箱具有電路測試中常見的工具和儀器，在仿真測量的過程中，可以對相關的電路參數(shù)進行觀測，并且在測量過程中還可以實時觀查測量的結(jié)果。

Proteus仿真軟件還具有圖形顯示功能模塊，可以通過圖形的形式將線路上的變化信號顯示出來，作用好示波器的功能差不多，但是比示波器的功能更強大。操作人員可以利用圖形顯示功能模塊觀察電路的運行情況。

2.4 Proteus仿真軟件的調(diào)試

Proteus仿真軟件提供了多種測量信號，可以實現(xiàn)對單片機硬件電路的測量和測試，這些測量信號主要包括數(shù)字信號和模擬信號。Proteus仿真系統(tǒng)中具有調(diào)試功能，具有設置斷點、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境實現(xiàn)調(diào)試功能。雖然Proteus 軟件不支持C語言，但是卻可以連接C語言 KeilC51 集成開發(fā)環(huán)境，可以將C語言編寫的程序使用匯編進行編譯，然后進行系統(tǒng)的仿真。

3 結(jié)語

隨著仿真技術的不斷發(fā)展，仿真單片機實驗室建設已經(jīng)成為了高校人才培養(yǎng)的新方向，仿真單片機實驗室的構(gòu)建避免了傳統(tǒng)單片機實驗室的多項缺點，滿足了學生對單片機教學大量實驗的要求，并且可以有效減少學校的實驗室建設的資金投入，不用過多的考慮單片機實驗設備和器材的維護和保養(yǎng)問題等，取得比傳統(tǒng)實驗室更好的實踐效果，提高學生單片機實踐能力和應用能力。

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作者簡介：楊博（1981-），男，湖南常德人，本科。