基于云計算機平臺實現單片機虛擬仿真實驗共享

李光飛++樓然苗++任文軒

摘要：在單片機實驗及課程設計教學中，在云服務器上安裝proteus虛擬仿真軟件， 可構建虛擬單片機應用系統硬件電路設計實驗項目，極大地方便師生利用云終端進行單片機應用系統程序及設計效果仿真演示，實現低成本、安全、高效的單片機硬件及源程序設計與實踐。

關鍵詞：云服務器；虛擬仿真；單片機；實驗

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0014-03

單片機虛擬仿真實驗是利用計算機網絡技術實現的一種開放式網絡化的實驗系統，利用Proteus軟件搭建出單片機硬件電路并進行程序代碼的編寫與仿真運行調試，可以直接在電腦上觀察程序的運行效果，分析硬件電路設計的合理性、正確性，老師或學生可以在教室、實驗室、寢室以及家里，方便地利用計算機網絡進行單片機應用系統的電路設計及程序調試，實現了硬件電路虛擬化、數字化，大大地拓展了單片機課程實驗教學的時空范圍[1-6]。

1 單片機設計仿真軟件

Proteus是一款功能強大的電子設計自動化仿真軟件，從原理圖布圖設計、程序代碼調試到單片機與外圍電路協同運行仿真，最后輕松轉換到PCB電路板設計，真正實現了從抽象概念到真實產品的完整設計實踐。它是目前國際上唯一一款將電路仿真軟件、PCB電路板設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。Proteus的原理圖設計可模擬仿真單片機、模擬電路、數字電路的混合仿真和PCB設計。Proteus軟件可對模擬電子線路實驗、數字電路實驗、電路分析實驗實現虛擬仿真，也可對單片機應用系統、ARM應用系統進行實驗仿真。其支持的嵌入式處理器有51系列、PIC、AVR等，另外其元件庫中還提供了大量的LED七段顯示器模塊、8*8LED點陣模塊、點陣LCD模塊、字符LCD模塊，以及直流電機、步進電機、伺服電機、按鍵、實時時鐘芯片、數字測溫傳感器、AD轉換芯片、DA轉換芯片、示波器、電壓表、電流表等單片機外圍接口需要的電路部件及測試儀器。Proteus軟件的編譯器不僅支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，面且也支持Keil_C等多種編譯器，可進行高級語言的源碼級調試和仿真，Proteus虛擬仿真軟件是高校開設大規模單片機虛擬仿真實驗的最佳選擇。

2 單片機虛擬實驗室的設計

2.1 仿真實驗室設備的配置

單片機虛擬仿真實驗室采用Proteus網絡版軟件，安裝在云管理服務器（Think Server RD630）上，云平臺管理軟件采用IBM Service Delivery Manager7.2。實驗用PC機采用聯想視訊云終端 LVCC V80。LVCC（Lenovo Virtual Cloud Client Solution）是由聯想自主研發的端到端的虛擬云計算解決方案之一，通過統一對桌面系統、應用系統、用戶數據進行集中管理、集中存儲、集中計算，最后向云終端用戶提供Windows虛擬桌面及應用等云計算服務。在高校教室、實驗室、寢室等場合應用具有高安全、易管理、高效率、高性能、綠色節能等特點。可使用WEB界面輕松完成服務器管理、終端管理、用戶管理、安全權限管理四個模塊的遠程統一管理。對200個終端和5臺服務器的系統部署僅需要2個小時。系統管理軟件由云中心統一部署，可節省90%的操作系統補丁、應用安裝、安全管理等時間。云終端系統維護簡易，登錄桌面時間短，一般在10秒左右即可啟動好虛擬桌面，具有良好的Windows7用戶體驗，使用者只要一個密碼，在任何一臺云終端登錄，就可享用自己的桌面應用，圖1為虛擬仿真實驗室平臺云服務計算管理的架構。

2.2 實驗項目設計

單片機虛擬實驗開發了多個虛擬實驗項目的硬件電路圖及參考實驗程序，有LED小燈實驗電路及匯編程序與C程序、定時計數器實驗電路及匯編程序與C程序、定時器中斷實驗電路及匯編程序與C程序、串行口通信實驗電路及匯編程序與C程序、按鍵接口實驗電路及匯編程序與C程序、8位共陽數碼管實驗電路及匯編程序與C程序、LCD液晶顯示器實驗電路與C程序、彩燈控制器實驗電路及匯編程序與C程序、單片機時鐘實驗電路及匯編程序與C程序、DS1302實時時鐘實驗電路及匯編程序與C程序、數字溫度計實驗電路及匯編程序與C程序、低頻信號發生器實驗電路及匯編程序與C程序、16點陣LED顯示器實驗電路及C程序、電子密碼鎖實驗電路及匯編程序與C程序等。這些實驗內容緊密聯系單片機教學中的關鍵知識點，具有學習、思考、實踐、領會、提高的作用。

2.3 單片機硬件電路庫

單片機應用系統的硬件電路可以利用Proteus提供的大量元件庫，有選擇地進行器件選取與電路連接，圖2是進行單片機LED小燈驅動實驗而設計布線成的仿真電路，在電路圖控制軟件上下載單片機源程序的二進制代碼就可運行程序控制的效果，圖中是P1.2端口的LED小燈點亮時的虛擬仿真電路與運行效果圖。

圖3是用DS1302實時時鐘芯片制作的單片機LED時鐘電路虛擬仿真電路與運行效果圖。

圖4 是單片機萬年歷的設計虛擬仿真實驗電路與運行效果圖。

圖5是單片機低頻信號發生器實驗項目的虛擬仿真電路與運行效果圖。

圖6是單片機16點陣LED顯示器圖文顯示實驗的虛擬仿真電路與運行效果圖。

3 結語

（1）單片機虛擬仿真實驗室的建設大大地提高了實驗室的教育投資效益，節省了大量儀器設備和實驗材料經費，實驗系統不涉及到器件折舊，能夠通過軟件升級保持實驗的先進性，可開設置驗證型、綜合型、創新型實驗項目，實驗項目可以多次重復、多人共享，克服了由于實驗室的設備和材料在品種、規格、數量上的限制。

（2）單片機虛擬仿真實驗給學生提供了一個直觀感受，通過單片機、電路元件、顯示器、按鍵、程序，把抽象的系統圖紙化、具體化、真實化，帶給師生真實的系統運行現象效果，幫助學生發散思維，提高實驗質量。

（3）單片機虛擬仿真實驗可準備較多的數字化實驗項目資源，實驗電路可重復修改，準對不同學生可根據能力大小、興趣需要，自由搭建電路及編程，培養學生的創造性思維與能力。

（4）單片機虛擬仿真實驗可避免因學生沒有按照正常電路接法、操作方法不對而帶來的電路燒毀、元件炸裂等危險情況，保障了師生和實驗設備的安全。

參考文獻

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