基于虛擬仿真的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

唐學(xué)鋒

(湖州學(xué)院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

單片機(jī)是普通高等院校電子類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程.該課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試的能力，為其在將來(lái)的工作中應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)打下良好的基礎(chǔ).單片機(jī)系列課程有“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等.構(gòu)建課程群的目的是引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地建立單片機(jī)系統(tǒng)概念，逐步掌握單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[1].傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)備是基于51內(nèi)核的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱.實(shí)驗(yàn)箱集成了基本功能模塊，學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)操作驗(yàn)證模塊功能.但由于功能模塊已封裝好，學(xué)生看不到內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，且實(shí)驗(yàn)主要以演示性、驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定不變，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性不足[2-3].這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱式教學(xué)較適合原理性知識(shí)的掌握，如輔助“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)，但對(duì)課程群中的其他課程實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)不能達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也不能有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.

本文重點(diǎn)針對(duì)單片機(jī)課程群中的非原理性課程，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)、調(diào)試能力為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，即將虛擬仿真引入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立一套基于虛擬仿真的課程體系架構(gòu)，利用構(gòu)建的虛擬仿真平臺(tái)將課堂講授與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來(lái).在實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)中進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，仿真正確后下載至實(shí)驗(yàn)硬件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試.該模式的虛擬仿真過(guò)程生動(dòng)直觀、操作靈活，可降低實(shí)驗(yàn)難度和調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性[4-7].

1 單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建

虛擬仿真是信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的教學(xué)模式,它能利用軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器，從而構(gòu)建高仿真度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境.學(xué)生在這個(gè)虛擬環(huán)境中可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、擬定實(shí)驗(yàn)參數(shù)、操作儀器、模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程[8-9].本文采用Proteus和Keil軟件構(gòu)建單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái).首先建立一個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),其由一臺(tái)服務(wù)器、一臺(tái)教師機(jī)和若干臺(tái)學(xué)生機(jī)組成，然后在服務(wù)器上安裝Proteus和Keil軟件并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，可根據(jù)需要開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，也可指導(dǎo)學(xué)生在個(gè)人電腦上建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便課余使用.

Proteus是英國(guó)Labcenter公司推出的一款用于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬仿真軟件，已在全球各大高校的單片機(jī)課程教學(xué)中廣泛應(yīng)用.它很好地解決了單片機(jī)與外圍電路組成的綜合系統(tǒng)協(xié)同仿真問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件同步仿真調(diào)試，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易用.Proteus軟件具有豐富的器件資源，涵蓋了目前主流單片機(jī)的微處理器模型，系統(tǒng)集成了大量的74系列、CMOS系列、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)、LCD顯示器等常用器件，還提供了電壓/電流表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等各種虛擬儀表，這些都可直接用于仿真設(shè)計(jì)[10].Keil是美國(guó)Keil Software公司出品的一款51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件，是目前全球最流行的開(kāi)發(fā)80C51系列單片機(jī)的軟件工具[11].本文構(gòu)建的單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)采用Proteus軟件建立虛擬單片機(jī)硬件系統(tǒng)，采用Keil進(jìn)行軟件程序調(diào)試，通過(guò)Proteus與Keil的聯(lián)合調(diào)試，其程序運(yùn)行結(jié)果能夠在Proteus環(huán)境中得以反映，并模擬出“單片機(jī)系統(tǒng)+仿真器+開(kāi)發(fā)軟件”的實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試效果.

2 單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于課堂實(shí)例講解

一般的單片機(jī)原理性課程教學(xué)采用的是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離的教學(xué)模式，即首先在課堂上教師通過(guò)PPT講解基本知識(shí)點(diǎn)，從單片機(jī)片內(nèi)資源、匯編指令到外部接口等；實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)相對(duì)滯后，且主要針對(duì)基本功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證.這樣的教學(xué)模式缺乏一種有效地將軟硬件結(jié)合、理論與實(shí)際相結(jié)合的演示方法，課堂內(nèi)容雖然較全面，但許多學(xué)生卻難以系統(tǒng)性地掌握.

后續(xù)的非原理性課程旨在讓學(xué)生建立單片機(jī)系統(tǒng)概念，提升學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力.在教學(xué)中可將單片機(jī)應(yīng)用于工程的典型案例引入教學(xué)，圍繞具體的應(yīng)用項(xiàng)目展開(kāi)，使項(xiàng)目設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，還可將每個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目分解為多個(gè)子模塊，按照模塊化思路講解相關(guān)硬件[12-14].Proteus虛擬仿真軟件具有豐富的虛擬元器件資源，配合各種虛擬儀表可以展現(xiàn)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程.教師通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)對(duì)案例進(jìn)行講解和演示，將原本無(wú)法用語(yǔ)言描述的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)出來(lái)，不僅能夠?yàn)檎n堂教學(xué)提供很好的交互界面，還能讓學(xué)生對(duì)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí).這種課堂教學(xué)模式不僅易于學(xué)生更直觀、更形象地理解單片機(jī)系統(tǒng)的組成，還解決了單片機(jī)課堂教學(xué)中理論與應(yīng)用、軟件與硬件無(wú)法很好結(jié)合的難題，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果.

2.2 應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

在單片機(jī)的非原理性課程教學(xué)中，提升學(xué)生系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力的實(shí)驗(yàn)方式是將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)具有一定檢測(cè)和控制功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，并通過(guò)增加或改變某方面功能的要求，帶動(dòng)學(xué)生去思考和探究[15].單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、PCB電路板制作、元器件焊接和系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)階段.整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅需要設(shè)計(jì)者掌握軟硬件技術(shù)，還需要設(shè)計(jì)者具有一定的布線和焊接工藝水平.但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初學(xué)者由于經(jīng)驗(yàn)欠缺，可能需要反復(fù)搭建電路或多次制作PCB板，這就大大增加了開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間.引入單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)后，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，首先利用Proteus軟件提供的元器件模型設(shè)計(jì)硬件電路原理圖；然后在Keil軟件中編寫(xiě)程序；再利用Keil與Proteus間的軟件接口協(xié)議將Keil中編寫(xiě)的程序下載到Proteus單片機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)試；最后在調(diào)試達(dá)到預(yù)期效果后再搭建硬件電路實(shí)物驗(yàn)證其功能.這種采用Proteus+Keil虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功后再進(jìn)行實(shí)際制作的實(shí)驗(yàn)方式，能大大提高單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率.

3 單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)案例，要求學(xué)生設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng).案例取材于工程實(shí)踐，涵蓋單片機(jī)教學(xué)大綱中的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，具有一定的深度和廣度.通過(guò)該案例，教師可引導(dǎo)學(xué)生如何對(duì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，從而鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用單片機(jī)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力.

3.1 系統(tǒng)功能要求

本案例的基本任務(wù)是采用AT89C51單片機(jī)(可選用其它89C51系列的單片機(jī))和溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)一個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)功能如下：

(1) 上電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并在LCD1602上顯示；

(2) 能夠通過(guò)按鍵設(shè)置溫濕度的報(bào)警上、下限值，當(dāng)實(shí)際溫濕度值不在正常范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的LED指示燈報(bào)警，并伴隨蜂鳴器報(bào)警.

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

學(xué)生接受課題任務(wù)后，教師引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)功能出發(fā)進(jìn)行資料收集、小組討論、師生交流，最終確定方案，然后進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并將系統(tǒng)分為幾個(gè)功能模塊，最后完成每個(gè)功能模塊的具體電路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)案例的系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、溫濕度傳感器、顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵電路5個(gè)部分.通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析和對(duì)硬件功能模塊的劃分，實(shí)驗(yàn)案例中選擇的主要器件可參考表1，也可根據(jù)設(shè)計(jì)需求和器件功能及成本自行選擇.

表1 實(shí)驗(yàn)案例的主要器件型號(hào)

圖1 實(shí)驗(yàn)案例的系統(tǒng)功能框圖Fig.1 System functional diagram of experimental case

完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和器件選型后，學(xué)生在Proteus中繪制硬件電路原理圖，如圖2所示.設(shè)計(jì)電路圖有助于學(xué)生深刻理解單片機(jī)各引腳的功能和內(nèi)部硬件資源的分配，以及單片機(jī)各引腳與外部硬件電路的連接.對(duì)單片機(jī)與液晶顯示模塊LCD1602的連接，教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)閱讀LCD1602的datasheet，使其了解1602液晶模塊的讀寫(xiě)操作和引腳功能等；在單片機(jī)的P0口與LCD1602數(shù)據(jù)口連接中要加拉電阻，引導(dǎo)學(xué)生思考，使其對(duì)P0口的結(jié)構(gòu)有更深的了解.

圖2 實(shí)驗(yàn)案例的Proteus設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Proteus design schematic of experimental case

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)的C語(yǔ)言具有移植性好、易懂易用的特點(diǎn)，已成為目前單片機(jī)最流行的軟件編程工具.教師可建議學(xué)生使用C語(yǔ)言編程，采用Keil軟件進(jìn)行編譯、調(diào)試.系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)系統(tǒng)功能，軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、DHT11溫濕度測(cè)量子程序、LCD1602顯示子程序、按鍵子程序、報(bào)警子程序等.系統(tǒng)主程序的主要功能是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)的整體軟件框架.主程序流程如圖3所示.上電完成初始化后調(diào)用DHT子程序讀取DHT溫濕度數(shù)據(jù)，并在LCD上顯示，判斷是否有按鍵按下，若有溫濕度上下限設(shè)置，則判斷溫濕度是否超限，若超限則調(diào)用報(bào)警子程序進(jìn)行聲光報(bào)警，并循環(huán)監(jiān)測(cè)溫濕度直至系統(tǒng)停止運(yùn)行.

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

進(jìn)行軟件程序編寫(xiě)時(shí)，教師應(yīng)要求學(xué)生設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)整體工作流程圖，再按功能劃分模塊，設(shè)計(jì)每個(gè)子模塊的工作流程圖和軟件程序，最后編寫(xiě)系統(tǒng)主程序.采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，不僅能降低程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還易于理解和修改程序.

3.4 Proteus與Keil的聯(lián)合調(diào)試

完成電路原理圖繪制和軟件程序編寫(xiě)后，在Proteus下將Keil編譯生成的可執(zhí)行文件(.hex文件)加載到虛擬單片機(jī)中，便可進(jìn)行軟硬件調(diào)試和功能效果驗(yàn)證.對(duì)較復(fù)雜的程序，若沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，則返回到Keil下修改程序，經(jīng)調(diào)試、編譯后重新生成.hex文件.這時(shí)我們需要將Proteus與Keil進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，但在聯(lián)合調(diào)試前需要對(duì)Proteus和Keil進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置：

(1) 在Proteus中打開(kāi)需要聯(lián)調(diào)的電路圖，選中“Debug”菜單中的“Use Remote Debug Monitor”選項(xiàng)，使Proteus與Keil進(jìn)行通信；

(2) 在Proteus安裝目錄下將VDM51.dll文件復(fù)制到Keil安裝目錄的C51BIN目錄下；修改keil安裝目錄下的Tools.ini文件，在[C51]字段加入“Proteus VSM Monitor-51 Driver”；設(shè)置Keil中的Debug選項(xiàng)卡，在“Use”中選擇“Proteus VSM Monitor-51 Driver”.

聯(lián)調(diào)設(shè)置完成后，在Keil中全速運(yùn)行程序時(shí)，Proteus中的單片機(jī)也會(huì)自動(dòng)運(yùn)行.本實(shí)驗(yàn)案例的聯(lián)調(diào)界面如圖4所示,左邊為KeilμVision4調(diào)試界面，右邊為Proteus8調(diào)試界面.若要觀察運(yùn)行過(guò)程中某些變量的值或系統(tǒng)狀態(tài)，則要用到Keil中的各種調(diào)試方式，如單步、跳出、運(yùn)行到當(dāng)前行、設(shè)置斷點(diǎn)等.在Keil里每執(zhí)行一步操作都可在Proteus里看到相應(yīng)的單片機(jī)引腳高低電平變化、LCD顯示等現(xiàn)象.

圖4 實(shí)驗(yàn)案例的聯(lián)調(diào)界面Fig.4 Joint debugging interface of experimental case

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用Proteus與Keil聯(lián)合仿真調(diào)試后，系統(tǒng)能正確可靠地運(yùn)行.上電后LCD能正常顯示當(dāng)前的溫濕度值和預(yù)設(shè)的溫濕度上下限閾值(圖2).當(dāng)DHT對(duì)溫濕度模擬改變時(shí)，系統(tǒng)能做出相應(yīng)變化.按電路中“設(shè)置”按鍵能切換溫濕度上下限設(shè)置，按“增加”和“減少”按鍵能設(shè)置溫濕度上下限值.當(dāng)溫濕度超出受限范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，4個(gè)LED發(fā)光二極管電路分別對(duì)應(yīng)4種情況(溫度超上限、溫度超下限、濕度超上限、濕度超下限)報(bào)警,達(dá)到聲光報(bào)警效果.虛擬仿真通過(guò)后，學(xué)生可進(jìn)行硬件電路的實(shí)物制作與調(diào)試.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，采用Proteus和Keil軟件構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)，并將其引入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué).同時(shí)，以溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例,闡述基于虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的過(guò)程.虛擬仿真平臺(tái)目前已應(yīng)用于電子類專業(yè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié).實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，為學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開(kāi)放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增添了活力和動(dòng)力.但我們以為，虛擬仿真作為一種教學(xué)模式，不應(yīng)該也不可能取代傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)方法，而應(yīng)從提高學(xué)生實(shí)際操作能力出發(fā)，將虛擬仿真與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能真正提高單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.