微控制器虛擬實驗室建設(shè)探索

于海峰

摘要：隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，實訓設(shè)備淘汰很快，學生在使用過程中由于不當操作也容易損壞設(shè)備，導致常出現(xiàn)故障甚至老化的問題，使得實訓很難開展，要解決此類問題需要更新甚至是重建實驗室。微控制器技術(shù)與應用是一門實踐性很強的學科，目前微控制器的課堂及實驗教學中存在諸多問題，課堂教學大部分以理論教學為主，實訓環(huán)節(jié)較少，使得學生平時在學習過程中遇到很多困難而逐漸對課程失去興趣。

關(guān)鍵詞：微控制器;虛擬實驗室;虛擬仿真

引言

微處理器內(nèi)核運行過程一直是學生在學習微控制器原理相關(guān)知識過程中的難點。通過開發(fā)微控制器的相關(guān)實驗，讓學生直接能夠觀測到微控制器內(nèi)部的運行過程和運行機制，能夠極大提高學生對微控制器的學習興趣和動力，同時能夠讓學生理解微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運行機制。然而由于微控制器內(nèi)部的運行過程一般難以直接進行觀測，而且也沒有很好的工具或者環(huán)境能夠時時地觀測微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運行過程。

1概述

微控制器的執(zhí)行過程一直是一個非常抽象的知識點，學生在學習微控制器相關(guān)內(nèi)容的時候一直缺乏很好的環(huán)境和工具對微控制器過程進行深入的理解和研究。這極大地阻礙了學生對微控制器相關(guān)知識的學習興趣和動力，更缺乏相應的實驗環(huán)境和平臺，讓學生能夠?qū)ξ⒖刂破鞯膱?zhí)行過程開展更為深入的實驗和分析工作。

2基于Proteus的微控制器虛擬仿真實驗室

2.1虛擬仿真實驗室

虛擬仿真實驗教學是高職實訓教學的重要組成部分，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，是專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實訓室依托多媒體、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)通訊、人機交互和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學生能夠在虛擬環(huán)境中開展實驗，實現(xiàn)學生在真實實驗不具備或難完成任務的教學效果。

2.2Proteus實驗室概念

Proteus是一個集模擬電路、數(shù)字電路、A/D混合電路以及多種單片機系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計和仿真平臺，是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。很好的解決了微控制器及外圍電路的設(shè)計以及協(xié)同仿真的問題，可以在沒有實際硬件的條件下，利用計算機實現(xiàn)微控制器軟件和硬件同步仿真。Proteus軟件的功能在于它的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件代碼級的調(diào)試，還可以直接實時動態(tài)的模擬按鈕、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進行相應的測量。

2.3微控制器虛擬仿真實驗室平臺架構(gòu)

虛擬實驗室建設(shè)設(shè)計基于校園網(wǎng)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及服務器部署，以教室和學生宿舍虛擬仿真學習平臺的建設(shè)內(nèi)容和目標，提出分布式虛擬仿真運行支撐體系結(jié)構(gòu)。Proteus虛擬實驗室基于校園內(nèi)部局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)條件要求10M以上因特網(wǎng)訪問帶寬，同時可以滿足60個用戶在線實驗，采用用戶名的方式來控制終端，當60個用戶同時在線時，后登人用戶收到當前用戶已滿的提示，實訓機操作系統(tǒng)以windowXP/7/8/10為主，用戶還需安裝IE瀏覽器，以及安裝KEIL和PROLEUS軟件，服務器可以提供軟件下載服務，學生可以自行下載。

3微控制器運行過程可視化研究

微控制器運行過程的可視化研究主要研究如何將運行過程的信息進行采集。并將采集到的信息加以輸出。由于目前微控制器在設(shè)計上并不支持用戶直觀的觀測到微控制器的運行過程，也沒有相應的接口供用戶進行二次開發(fā)。因此微控制器運行過程，對用戶來講是一個黑盒。為了觀測和研究微控制器的運行過程，首先要建立虛擬的仿真平臺，在仿真環(huán)境下將微控制器的各種硬件結(jié)構(gòu)進行模擬。然后當微控制器加載了目標程序之后，對目標程序的運行過程進行動態(tài)模擬和跟蹤，并對全過程實行信息的采集，以實現(xiàn)對微控制器運行過程的原始信息的獲取。微控制器在運行過程中，所有的狀態(tài)信息主要表現(xiàn)在計算器，10端口，內(nèi)存等三個部分。因此對微控制器進行模擬的時候需要分別模擬微控制器內(nèi)部的計算器，IO端口和內(nèi)存信息變化過程。在建立虛擬環(huán)境微控制器執(zhí)行過程的時候，虛擬環(huán)境一般會模擬微控制器內(nèi)部的所有硬件結(jié)構(gòu)，包括計算機，IO端口和內(nèi)存。因此，在虛擬環(huán)境當中，能夠準確得到微控制器運行過程中這三類信息的變化過程。能夠通過直觀的可視化界面進行認識，因此在獲取了微控制器在虛擬環(huán)境中運行的各類信息之后，需要設(shè)計相應的可視化顯示程序，將采集到的各種信息輸出來，即所有的信息需要從虛擬環(huán)境中映射到外部處于控制功能的平臺，即處于圖一中間位置的微處理器嵌入式平臺，在該平臺中要開辟一段存儲區(qū)域?qū)μ摂M化運行環(huán)境中目標微處理器的相關(guān)計算器，10端口，和內(nèi)存信息進行存儲。然后根據(jù)所存儲的內(nèi)容和種類不同，由可視化實驗平臺的相關(guān)顯示設(shè)備進行輸出示。

4虛擬仿真實驗室的教學效果

本文設(shè)計的堆棧可視化實現(xiàn)模塊，采用的是基于數(shù)碼管陣列的形式拼接顯示。由于每一個數(shù)碼管陣列所能夠顯示的行和列數(shù)目是有限的。為了能夠?qū)Χ褩Ｖ械臄?shù)據(jù)進行完整的表示，構(gòu)建了一個數(shù)碼管陣列，數(shù)碼管陣列當中的每一行代表堆棧當中一行的數(shù)據(jù)。在數(shù)碼管的顯示區(qū)域內(nèi)，處于有效數(shù)據(jù)的最頂端代表的是堆棧的棧頂，數(shù)碼管對底端的數(shù)據(jù)代表的是堆棧棧底的數(shù)據(jù)。當微控制器內(nèi)部程序處于運行狀態(tài)時，在執(zhí)行程序調(diào)用或者中斷等過程時，都會涉及到堆棧的壓棧和出棧等操作。通過基于數(shù)碼管陣列的可視化實現(xiàn)，可以讓用戶清楚地看到微控制器內(nèi)部堆棧增長和退去的和過程，也能夠看到當前堆棧當中所存儲的所有數(shù)據(jù)，而且助于用戶理解微控制器中程序的運行過程。微控制器虛擬仿真實驗室是給學生提供了一個虛擬的單片機產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)實驗室，單片機實驗臺、實驗箱、儀器儀表與真實實驗環(huán)境相同，克服儀器設(shè)備數(shù)量、實驗場地、實驗時間上的限制，學生可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬實驗室，給學生提供自我學習的平臺。適合多樣化實驗，使用實時仿真的方式為實驗、調(diào)試創(chuàng)造安全的環(huán)境，可減少故障試驗、誤操作帶來的損失;虛擬實驗室具有“實驗、實訓、設(shè)計”功能，為培養(yǎng)學生的動手能力提供了條件和技術(shù)保障，滿足了課程實踐的教學需要;運用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，降低了學生的實驗練習成本，交互式的操作模式促進了老師與學生的教學互動，強化學生對實驗操作流程的記憶，有利于改善教學效果;采用基于工作過程的課程教學模式，以項目為載體進行專業(yè)知識的教學活動，學生對學習專業(yè)知識的信心增強，學習興趣提高;增強實踐教學環(huán)節(jié)，可提高學生的動手能力，增強學生獨立思考和解決問題的能力，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，為電子競賽培訓積累經(jīng)驗。

結(jié)語

微控制器執(zhí)行平臺能夠為學生提供一個功能強大的可視化環(huán)境，使得用戶能夠?qū)ξ⒖刂破鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)以及程序的執(zhí)行過程做到實時的準確的監(jiān)控，為用戶理解微控制器的執(zhí)行過程分析平臺。在此基礎(chǔ)在上，用戶可以通過此平臺進行二次開發(fā)和功能擴展，以實現(xiàn)對微控制器執(zhí)行過程的相關(guān)控制和管理，為用戶開設(shè)更加復雜的相關(guān)微控制器執(zhí)行處理機制的實驗提供硬件支撐。