仿真技術在電類課程教學中的應用研究

馬游春 蘇淑靖 張會新 王紅亮

摘要：為了解決目前實驗教學過程中存在的實驗內容單一、驗證性實驗為主、實驗課時及硬件條件有限等問題，文章將Proteus和maxplus II相結合的虛擬仿真技術應用到單片機實驗教學中，給出了兩者聯合仿真的方法與步驟，通過具體實例驗證了應用虛擬仿真技術的可行性，表明了虛擬仿真技術在單片機實驗教學中具有應用前景。

關鍵詞：實驗教學；單片機課程；虛擬仿真；Proteus軟件

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）34-0189-02

一、單片機課程實驗教學現狀及存在的問題

1.單片機課程實驗教學現狀。由于單片機課程的復雜程度，目前只有少數學生能夠清楚地知道該課程的學習目標，在如今的教學環境中，大多數學生能夠使用匯編語言直接控制硬件，對軟件的了解模糊，還有一部分學生對于單片機復雜的指令系統無法掌握，認為太過難記。為了進一步了解當前大學生對于虛擬仿真教學的認識情況，我們對200名學生進行了問卷調查，調查結果如圖1所示。由圖1我們可以看到在問卷調查中，99.4%的學生認為仿真教學可以明顯提高教學效果，只有0.6%的學生認為仿真教學沒有用處。

2.當前教學存在的問題。當前單片機教學存在教學資源有限、教學方法與手段單一、教學時間不足和學習效率低等問題，同時缺乏對課程教學的系統化設計，沒有形成適合仿真教學的模式。傳統的單片機教材和教學過于重視知識體系的演繹和推理，加之單片機課程本身所固有的抽象性以及教學傳統尚存在的諸多問題，使多數學生對單片機課程產生了畏懼心理，以致影響了他們學習的積極性，使之變成了“問題課程”，不僅對學生的后續專業課的學習帶來了一定困難，也對開展教學質量工程產生了消極影響。因此，對單片機課程進行教學改革是十分必要的。

二、虛擬仿真技術在單片機教學中的應用

1.傳統“單片機技術”課程實驗教學分析。以往的實驗課程以演示為主，實驗開放系統硬件固化、無法選擇，硬件完備率不夠，維護保障不夠，浪費了大量選擇實驗箱的時間。我們需要解決以下問題：（1）過去的實驗課程，學生只能通過演示實驗簡單了解外觀上的器件模型，不能很好地理解處理器內部的工作原理，不能很好地與課本理論知識連接。（2）單片機與接口技術是工程性很強的課程，理論學習之后需要大量的工程應用。我們引入“計算機實驗仿真”的教學方式，演示與仿真結合，采取多種實驗手段讓學生更好地理解課本內容。

2.虛擬仿真技術的應用教學實例。下面以SPI接口通信為例，介紹Proteus與MaxplusII在單片機實驗教學中的應用。（1）Proteus環境下的硬件電路設計。DS1302是時鐘芯片，內含實時時鐘/日歷和31字節靜態RAM，DS1302與單片機之間能簡單地采用SPI同步串行的方式進行通信，通過1602 LCD顯示日期和時間，其仿真模型電路如圖2所示。（2）SPI接口通信MaxplusII仿真模型。在MaxplusII軟件中，我們通過VHDL語言對SPI通信的主從機編程、編譯，生成相應的模塊，之后調用這兩個模塊與輸入、輸出信號組合，如圖3所示，圖3為SPI主控制模塊與從控制模塊的組合。實驗中可以通過兩個FPGA模塊來進行通信演示，每個模塊的輸入輸出分別對應8個開關和8個LED。之后我們建立波形文件，對SPI通信功能進行波形仿真，學生可以通過波形直觀地了解SPI接口如何通信，比起傳統的教學模式具有很大的優勢。

三、結語

我們已將Proteus和MaxplusII兩款仿真軟件引進到單片機原理及應用與綜合實踐接口部分課程的實驗教學中，與傳統教學模式相比，教學效果更好，我們統計了近三年來的學生成績，如表1所示，可以看到經過虛擬仿真技術的教學改革之后，學生的成績呈逐年上升的趨勢，也為學生在單片機類軟件與接口類電路方面的畢業設計和進一步深造奠定了良好的基礎，對學生在該課程方向的就業和考研有較明顯的促進作用。

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