單片機(jī)應(yīng)用仿真促進(jìn)核心能力培養(yǎng)

徐春燕 汪 媛/武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系

單片機(jī)應(yīng)用仿真促進(jìn)核心能力培養(yǎng)

徐春燕 汪 媛/武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系

本文首先介紹了Proteus 與Keil仿真軟件的特點(diǎn)，然后以“矩陣式鍵盤(pán)控制數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)”為例介紹如何在Proteus與Keil軟件中構(gòu)建虛擬平臺(tái)進(jìn)行硬件電路和軟件代碼的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后介紹單片機(jī)課程教學(xué)中如何引導(dǎo)并推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用Proteus與Keil仿真調(diào)試，從而激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了課程培養(yǎng)目標(biāo)以及專(zhuān)業(yè)核心能力的達(dá)成。

虛擬平臺(tái)；仿真調(diào)試；培養(yǎng)目標(biāo)；核心能力

一、引言

單片機(jī)課程是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)類(lèi)課，具有抽象、邏輯性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生要掌握好單片機(jī)原理及接口應(yīng)用技術(shù)，具備小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力，一定需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，并且需要進(jìn)行硬件和軟件調(diào)試，以調(diào)試結(jié)果來(lái)論證硬件方案和軟件程序的可行性與否。以武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例的實(shí)際情況為：（1）單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)有：實(shí)驗(yàn)課、課外實(shí)踐作業(yè)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)；（2）目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室硬件實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)為40套（我專(zhuān)業(yè)學(xué)生規(guī)模為：2012級(jí)學(xué)生為9個(gè)自然班、2013級(jí)學(xué)生均為9個(gè)自然班，2014級(jí)學(xué)生有8個(gè)自然班）；（3）學(xué)生個(gè)人配備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)需200元人民幣左右；（4）④硬件設(shè)備跟新?lián)Q代以及元器件故障率會(huì)導(dǎo)致資金投入大；（5）⑤硬件設(shè)計(jì)方案變更會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目周期延長(zhǎng)以及硬件投入增大等。

基于以上問(wèn)題，課程組圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，以專(zhuān)業(yè)核心能力三（核心能力三：以PLC、單片機(jī)為核心的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及維護(hù)能力）為導(dǎo)向，積極進(jìn)行教學(xué)研究與探索，在單片機(jī)教學(xué)中引導(dǎo)并推進(jìn)學(xué)生學(xué)用Proteus 與Keil仿真軟件整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)室，進(jìn)而在虛擬平臺(tái)上開(kāi)展硬件和軟件仿真調(diào)試工作。

二、Proteus 與Keil軟件介紹

（一） Proteus 軟件介紹

Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路仿真軟件，Proteus軟件提供了 3O 多個(gè)元件庫(kù)，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。該軟件的仿真功能和調(diào)試程序的功能很強(qiáng)大。其特點(diǎn)有：（1）用戶(hù)可以實(shí)時(shí)采用 RAM，ROM，LED，LCD，鍵盤(pán)，A D/D A,部分SPI、I2C等資源；（2）可仿真5l系列、ARM、PIC、AVR等常用主流單片機(jī)；（3）可以直接在繪制的原理圖上，配合虛擬示波器、信號(hào)發(fā)生器、電流表、電壓表等器件，結(jié)合程序運(yùn)行后看到輸入輸出的效果 。此外，Proteus還具備以下功能：（1）原理布圖功能；（2）SPICE 電路仿真功能：（3）PCB自動(dòng)或人工布線功能。

（二） Keil軟件介紹

K eil軟件是目前最流行的單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件，Keil軟件中能新建工程項(xiàng)目、編寫(xiě)C語(yǔ)言程序、編譯及調(diào)試程序，有存儲(chǔ)器和變量觀察窗口等。Keil uVision4就是一款功能強(qiáng)大的51單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)利器，其開(kāi)發(fā)的程序無(wú)論是在功能上還是在可讀上都比C語(yǔ)言具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且易用易學(xué)，支持C編程+匯編編程混合編程，內(nèi)置豐富的函數(shù)庫(kù)。

三、虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建

單片機(jī)控制系統(tǒng)是軟、硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)，我們引導(dǎo)學(xué)生在電腦上學(xué)習(xí)Proteus和Keil仿真軟件，利用仿真優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一個(gè)適合“教、學(xué)、做”一體化的單片機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，下面以“矩陣式鍵盤(pán)控制數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)”課題為例講解虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建。

（一）硬件電路的設(shè)計(jì)、制作

第一步，運(yùn)行 Proteus 的ISIS 程序后，即進(jìn)入該仿真軟件的主界面，如圖1所示 ；第二步，通過(guò)主界面左下方P/L/DEVICES選項(xiàng) ，選擇并放置所需元器件并調(diào)整其相對(duì)位置，如圖2所示；第三步，對(duì)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并依據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案完成元器件間連線，即完成硬件電路圖設(shè)計(jì)，如圖3所示，之后，保存該文件（.DSN）。

圖1 Proteus仿真軟件主界面

圖2 選擇并放置所需元器件

圖3 設(shè)計(jì)的硬件電路圖

（二）程序代碼（軟件）的編寫(xiě)與調(diào)試

打開(kāi)Keil uVision軟件，第一步，依次完成“建立工程項(xiàng)目、選擇仿真單片機(jī)、編寫(xiě)單片機(jī)C語(yǔ)言程序，添加文件到源代碼組，配置閃存工具、創(chuàng)建目標(biāo)文件、編譯當(dāng)前文件”等工作，若編譯結(jié)果顯示“0個(gè)錯(cuò)誤0個(gè)警告”，如圖4所示，則說(shuō)明所編寫(xiě)的軟件代碼沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，可進(jìn)行第二步，反之，則需根據(jù)提示查找并解決軟件代碼語(yǔ)法問(wèn)題（或Keil uVision軟件設(shè)置類(lèi)問(wèn)題）；第二步，對(duì)軟件代碼進(jìn)行功能調(diào)試，對(duì)應(yīng)的重要功能菜單分別是“調(diào)試”和“視圖”，調(diào)試模式可以選擇的有“連續(xù)運(yùn)行、步進(jìn)、步越、運(yùn)行到光標(biāo)處、斷點(diǎn)運(yùn)行”等多種，調(diào)試過(guò)程中，為了跟蹤變量或觀察存儲(chǔ)器內(nèi)容的變化，可以打開(kāi)“監(jiān)視和調(diào)用堆棧窗口”和“存儲(chǔ)器窗口”進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察，如圖5所示，根據(jù)觀察情況，做軟件代碼的修改或完善工作，完成軟件代碼所要達(dá)到的功能后，對(duì)應(yīng)生成.HEX文件并保存。

圖4 軟件語(yǔ)法調(diào)試通過(guò)

圖5 軟件功能調(diào)試觀察窗口

（三）硬件和軟件聯(lián)合調(diào)試

第一步，在ISIS軟件中打開(kāi)之前保存的.DSN文件；第二步，打開(kāi)菜單“源代碼-添加源代碼”，然后找到.HEX文件添加后點(diǎn)擊“確定”，如圖6所示；第三步，打開(kāi)“調(diào)試”菜單，選擇“開(kāi)始仿真”，仿真調(diào)試有多種模式可以選擇，若聯(lián)合調(diào)試成功，即可直觀看到課題要到達(dá)的效果，如圖7所示為仿真調(diào)試成功效果。

圖6 硬件電路CPU中添加源代碼

圖7 仿真調(diào)試成功效果

四、單片機(jī)仿真的引導(dǎo)與實(shí)踐

課程組在單片機(jī)課程教學(xué)中引導(dǎo)并推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用Proteus與Keil兩款軟件的步驟如下：

第一步，教師在課堂教學(xué)中介紹 Proteus 與Keil兩款軟件的特點(diǎn)，讓學(xué)生建立它們可以幫助大家學(xué)好學(xué)通單片機(jī)課程的概念，同時(shí)在課堂教學(xué)中把Proteus 與Keil仿真設(shè)計(jì)案例演示給學(xué)生看，仿真設(shè)計(jì)案例演示使單片機(jī)控制應(yīng)用變得直觀和生動(dòng)，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。

第二步，推進(jìn)所有學(xué)生自主學(xué)習(xí)并熟練掌握Proteus 與Keil兩款仿真軟件的用法及聯(lián)合調(diào)試方法。具體實(shí)施細(xì)節(jié)為：（1）布置檢測(cè)測(cè)試題。要求學(xué)生4人左右自行分組交流討論學(xué)習(xí)，3周后進(jìn)行驗(yàn)收。檢測(cè)測(cè)試題為教材P90中例【5-1】：設(shè)計(jì)一電路，監(jiān)視某開(kāi)關(guān)K，用發(fā)光二極管LED顯示開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如果開(kāi)關(guān)合上，LED亮；開(kāi)關(guān)打開(kāi)，LED熄滅。圖8和圖9均為教材例題中已經(jīng)給出的硬件電路設(shè)計(jì)圖和軟件代碼；（2）抽查考核。3周后檢查學(xué)生測(cè)試題仿真作業(yè)完成情況。學(xué)生只要是認(rèn)真完成了該例題的仿真調(diào)試，就可說(shuō)明初步掌握了Proteus 與Keil兩款仿真軟件的基本用法及聯(lián)合調(diào)試方法,因?yàn)闇y(cè)試題是例題，均已給出了硬件設(shè)計(jì)方案和軟件代碼，所以完成測(cè)試題的工作主要是學(xué)習(xí)與掌握這兩款仿真軟件的基本用法及聯(lián)合調(diào)試方法。為了更好的了解學(xué)生掌握該軟件的基本用法及調(diào)試方法情況，教師利用課外時(shí)間抽查2/3學(xué)生進(jìn)行考核（如硬件中元器件的選取、放置、連線、設(shè)置以及軟件中項(xiàng)目工程的建立、語(yǔ)法調(diào)試和功能調(diào)試方法等等），考核成績(jī)重比例計(jì)入平時(shí)成績(jī)；（3）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)課。在學(xué)生能用 Proteus 與Keil完成仿真測(cè)試題后，單片機(jī)教學(xué)中布置的所有課后作業(yè)均要求學(xué)生進(jìn)行仿真調(diào)試，并將調(diào)試成功后的作業(yè)發(fā)送給任課教師檢查。學(xué)生在完成這些仿真作業(yè)的過(guò)程中會(huì)碰到較多問(wèn)題，他們會(huì)以與同學(xué)交流、查資料、網(wǎng)上求助等多種方式解決，當(dāng)然學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異會(huì)導(dǎo)致仿真作業(yè)的完成順利與否情況。針對(duì)此差異，在仿真作業(yè)完成了3～4道題左右，教師根據(jù)與學(xué)生的交流及他們提交的仿真作業(yè)完成情況，選取并通知了3～5名學(xué)生做好準(zhǔn)備講習(xí)題，習(xí)題課時(shí)間總共為2節(jié)課，以翻轉(zhuǎn)課堂形式開(kāi)展。預(yù)先做好準(zhǔn)備的學(xué)生需備課充分，從“軟件基本應(yīng)用與調(diào)試方法”、“習(xí)題解題與設(shè)計(jì)思路”、“調(diào)試常見(jiàn)問(wèn)題匯總與解決”等方面為臺(tái)下同學(xué)展開(kāi)講解，教師和臺(tái)下同學(xué)均認(rèn)真聽(tīng)講，積極思考并向臺(tái)上同學(xué)提問(wèn)。經(jīng)實(shí)踐，該措施對(duì)“推進(jìn)大面積學(xué)生掌握Proteus 與Keil的應(yīng)用與調(diào)試方法”取得的效果非常好。

圖8 例5-1硬件電路圖

圖9 例5-1程序

有了第一步和第二步的實(shí)踐，學(xué)生掌握了Proteus 與Keil的應(yīng)用與調(diào)試后，可以利用 Proteus 與Keil仿真調(diào)試環(huán)境，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，在仿真調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，覺(jué)得有必要時(shí)，再搭建實(shí)物電路進(jìn)行調(diào)試，這樣可以減少硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中浪費(fèi)。

五、結(jié)束語(yǔ)

武昌首義學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化12級(jí)、13級(jí)、14級(jí)學(xué)生實(shí)踐證明，Proteus與Keil仿真調(diào)試手段的應(yīng)用，使大部分學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有一個(gè)完整性的認(rèn)識(shí)和掌握，對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在課題拓展、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電賽實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)中用仿真調(diào)試縮短了開(kāi)發(fā)周期、減少了元器件的損耗，尤其在硬件平臺(tái)不夠或硬件投入跟不上的情況下、該仿真調(diào)試手段促進(jìn)了課程培養(yǎng)目標(biāo)以及專(zhuān)業(yè)核心能力的達(dá)成。當(dāng)然，軟件仿真并不能達(dá)到與實(shí)際硬件完全一致的情況，也不考慮實(shí)際應(yīng)用中存在元器件參數(shù)的分散性、誤差和干擾等現(xiàn)象，這需要學(xué)生在實(shí)物試驗(yàn)中去進(jìn)一步體會(huì)和掌握。

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徐春燕：1978年出生、女、漢族、湖北鄂州、武昌首義學(xué)院、副教授、研究生。

汪媛： 1982年出生、女、漢族、湖北武漢、武昌首義學(xué)院、講師、研究生。