基于Proteus的“微機(jī)接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

劉麗娟 劉娜

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.046

摘? 要：文章以一流本科課程建設(shè)的“兩性一度”基本原則為宗旨，以Proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為依托，對“微機(jī)接口技術(shù)”課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，構(gòu)建了“基礎(chǔ)驗(yàn)證性+開放設(shè)計(jì)性+綜合創(chuàng)新性”的三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)在經(jīng)典性的基礎(chǔ)上，融入現(xiàn)代先進(jìn)信息技術(shù)，提升高階性，結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式可自由選擇的設(shè)計(jì)內(nèi)容，突出創(chuàng)新性。層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容增強(qiáng)了對于教師和學(xué)生的挑戰(zhàn)度，同時(shí)為線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：“微機(jī)接口技術(shù)”課程;兩性一度;三層次;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TP368.1;G434? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2021）09-0179-06

Experimental Teaching Reform of “Microcomputer Interface Technology”?Based on Proteus

LIU Lijuan，LIU Na

（Xian University of Technology，Xian? 710048，China）

Abstract：In this paper，based on the basic principle of “Two Properties and One Criteria” of the construction of first-class undergraduate courses and the Proteus virtual reality experimental content，the practice link of “Microcomputer Interface Technology” course is reformed and a three-level experimental teaching model of “basic verification+open design+comprehensive innovation” is constructed. So that the experimental course teaching is integrated into modern advanced information technology on the basis of classics and its higher order is improved，combined with project driven design content that can be freely selected and its innovation is highlighted. Hierarchical experimental teaching mode and virtual reality experimental teaching content enhance the challenge to teachers and students. It provides strong support for online experimental teaching at the same time.

Keywords：“Microcomputer Interface Technology” course;two properties and one criteria;three-level;virtual realilty experiment

0? 引? 言

教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中明確提出，建設(shè)一流本科課程的基本原則是提升高階性、突出創(chuàng)新性和增加挑戰(zhàn)度，簡稱“兩性一度”^[1]。微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)涉及許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和科研領(lǐng)域，是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)課。“微機(jī)接口技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)目的是讓學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用的編程、調(diào)試及應(yīng)用的基本步驟，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和研究相關(guān)領(lǐng)域問題的能力，通過實(shí)驗(yàn)講解，使學(xué)生更深入地掌握課程中的基本理論，通過實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際以及解決復(fù)雜工程問題的能力，能夠用匯編語言編寫接口電路程序，掌握接口電路特點(diǎn)和接口芯片功能和使用方法。

在“微機(jī)接口技術(shù)”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)中融入“兩性一度”的原則是此次課題改革的目的，因此，在堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心的前提下，為了提升實(shí)驗(yàn)課程的“兩性一度”，必須利用科學(xué)的教學(xué)理論與實(shí)踐重構(gòu)教學(xué)模式和利用先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)重置教學(xué)內(nèi)容，將該原則深度貫穿到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生從中受益，更好地培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神，增強(qiáng)學(xué)生收獲知識和提升能力的成就感。

1? 層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

根據(jù)“兩性一度”基本原則，結(jié)合課程的重難點(diǎn)，重新構(gòu)建了“微機(jī)接口技術(shù)”的實(shí)踐教學(xué)，創(chuàng)立了基于Proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該教學(xué)模式結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三部分，分別從經(jīng)典性、高階性和創(chuàng)新性三方面來打造符合一流本科課程要求的實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對課程的基本理論知識，設(shè)計(jì)了兩個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包括I/O端口地址譯碼實(shí)驗(yàn)和8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)。地址譯碼實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解譯碼電路的作用，掌握固定式單端口地址譯碼電路和固定式多端口地址譯碼電路的組成、譯碼原理、地址譯碼模擬選通、實(shí)時(shí)讀寫譯碼選通、帶置位/復(fù)位的D觸發(fā)器的使用、搭接電路觀察讀寫選通過程。8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)主要為了讓學(xué)生掌握8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器接口芯片的外部特性和內(nèi)部邏輯、編程命令、8253芯片的六種工作方式特點(diǎn)及其區(qū)別和聯(lián)系，使用實(shí)驗(yàn)觀察法，對比每一種工作方式下時(shí)序圖的區(qū)別，編程并用示波器觀察方波發(fā)生器輸出，掌握兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的級聯(lián)方法。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)要求，根據(jù)教師提供的仿真電路圖模板，完成原理圖中未連接的重要接口線路，然后對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中給出的有問題的匯編程序進(jìn)行修改和完善，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋分析原因，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容具備一定經(jīng)典性的前提下，該教學(xué)模式重點(diǎn)增加了開放設(shè)計(jì)性和綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。在開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方面，安排了交通燈實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)利用8255A并行接口芯片，編程實(shí)現(xiàn)基本交通燈的功能，在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生改變硬件電路和軟件程序，實(shí)現(xiàn)可響應(yīng)緊急情況交通燈模式，通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉8255A的外部特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程命令和三種工作方式，掌握8255A基本輸入輸出的實(shí)驗(yàn)方法，在緊急交通燈設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，給出自己的設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選定，教師進(jìn)行指導(dǎo)，并對實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行提示。該環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和思維，課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)深度，培養(yǎng)學(xué)生深度分析的精神，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性，增強(qiáng)了挑戰(zhàn)度。在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方面，以實(shí)際應(yīng)用為主線，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為載體，設(shè)置了信號發(fā)生器、數(shù)字電壓表等題目，學(xué)生可自行選擇或者自擬題目，該部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)置主要讓學(xué)生根據(jù)已學(xué)理論知識設(shè)計(jì)具有某種功能的接口電路，利用教師提供的初始虛擬仿真資源，進(jìn)行微機(jī)接口系統(tǒng)的拓展設(shè)計(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的層次性轉(zhuǎn)化，在該環(huán)節(jié)中使用虛擬仿真軟件，學(xué)生可以根據(jù)硬件庫中的元件任意選擇所需芯片，有利于二次開發(fā)，改變了原有硬件實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)“黑盒子”操作和無法自由設(shè)計(jì)的弊端，提升學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性，添加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性^[2-4]。這種項(xiàng)目式的設(shè)計(jì)思路可以培養(yǎng)學(xué)生的探究式和個(gè)性化學(xué)習(xí)能力，發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性特征，達(dá)到創(chuàng)新性的效果。

2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)介紹

層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，有效改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)受場地和時(shí)間限制的缺陷，實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生“隨時(shí)隨地”可講授可學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，同時(shí)可應(yīng)用在課程的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中^[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于Proteus軟件，學(xué)生在該軟件中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理圖的繪制，匯編程序的編寫，使實(shí)驗(yàn)裝置和操作更加靈活便捷，并且可擴(kuò)展性強(qiáng)，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的名稱，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容^[5-6]。這種將現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的方式突出了課程建設(shè)的創(chuàng)新性，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性和互動(dòng)性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作步驟來具體介紹。

2.1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1.1? 基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

2.1.1.1? I/O端口地址譯碼實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)使用8255A芯片的PC0、PC1、PC2控制74HC 138的數(shù)據(jù)輸入端，通過譯碼產(chǎn)生8選1的選通信號，輪流點(diǎn)亮8個(gè)LED指示燈。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要目的是讓學(xué)生掌握8255A與8086的電路連接，在以往的實(shí)驗(yàn)箱中，這一部分由廠商直接封裝在箱子內(nèi)部，學(xué)生無法看到具體的原理圖，而利用Proteus仿真軟件，可以直觀展示各個(gè)芯片每個(gè)端口的連接以及設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)最后還設(shè)置了去掉延時(shí)，通過譯碼電路之后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，模擬計(jì)算機(jī)在高速運(yùn)行下對外部設(shè)備選擇的情況。

2.1.1.2? 8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生掌握8253的6種工作方式下電路連接、程序編寫和結(jié)果驗(yàn)證。以方式0和方式5為例，實(shí)際操作中，學(xué)生需要完成電路圖的連接、匯編程序的編寫，然后用Proteus軟件自帶的邏輯分析儀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到在方式0時(shí)，門控信號GATE0端為高電平時(shí)，程序運(yùn)行之后，定時(shí)計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)，6個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之后，輸出端OUT0由低電平變?yōu)楦唠娖健７绞?時(shí)，當(dāng)門控信號GATE0一直為低電平時(shí)，時(shí)鐘信號給6個(gè)周期之后，OUT0沒有產(chǎn)生跳變，只有當(dāng)門控信號GATE0有一個(gè)脈沖之后，定時(shí)計(jì)數(shù)器才開始計(jì)時(shí)，當(dāng)6個(gè)脈沖之后，OUT0出現(xiàn)一個(gè)跳變。通過6種工作方式的仿真設(shè)計(jì)，讓學(xué)生明確當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)時(shí)，硬件啟動(dòng)與軟件啟動(dòng)的區(qū)別，定時(shí)和計(jì)數(shù)之間的聯(lián)系。

2.1.2? 開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是用8255A芯片設(shè)計(jì)一個(gè)模擬十字路口交通燈的電路，要求其電路邏輯符合常見的交通燈，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要增加緊急情況處理功能，即在檢測到有緊急信號時(shí)，將兩個(gè)方向的紅燈點(diǎn)亮，社會(huì)車輛一律禁止通行，緊急車輛可闖紅燈通行，待緊急信號撤銷后，恢復(fù)正常交通秩序，其中一種參考電路的設(shè)計(jì)示例如圖2、3所示。

在硬件原理圖上，圖3在圖2的基礎(chǔ)上增加了橢圓框中的電路部分，一個(gè)單刀雙擲開關(guān)SW1、一個(gè)電源VCC和一個(gè)地GND，將SW1接到8255A的PC0口，用SW1開關(guān)接通到VCC端代表正常情況，用SW1開關(guān)接通到GND端代表緊急情況，然后在Proteus的Source Code窗口添加對應(yīng)的緊急情況檢測程序、緊急情況交通燈紅燈全亮的狀態(tài)程序等相關(guān)程序代碼，程序運(yùn)行之后，學(xué)生通過控制SW1開關(guān)與GND和VCC的連接情況模擬進(jìn)入和退出緊急交通燈的情況。在該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅需要思考硬件電路的連接方式和8255A輸入輸出端口的設(shè)置，還需要在軟件編程中考慮交通燈的邏輯狀態(tài)，緊急情況下的交通燈狀態(tài)，如何對緊急情況信號進(jìn)行檢測，如何在該信號撤銷后繼續(xù)返回原始交通燈狀態(tài)，對學(xué)生的邏輯判斷能力、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)能力得到綜合訓(xùn)練。

2.1.3? 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)主要為了培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性，學(xué)生自由選擇任務(wù)，根據(jù)選擇的設(shè)計(jì)任務(wù)，查找相關(guān)資料，完成硬件原理圖的設(shè)計(jì)。然后根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，畫出相關(guān)程序流程圖，結(jié)合硬件電路編寫程序。最后進(jìn)行硬件軟件調(diào)試，完成預(yù)期目標(biāo)。圖4為數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)實(shí)例，該設(shè)計(jì)中以8086最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，用ADC0809進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后通過8255A芯片將電壓值顯示在數(shù)碼管上，通過有規(guī)律地改變RV1電阻的阻值，可以觀察AC Volts電壓表中的電壓值和數(shù)碼管中顯示電壓值之間的關(guān)系并畫出擬合曲線，將“微機(jī)接口技術(shù)”課程與誤差理論課程聯(lián)系起來，達(dá)到學(xué)科交叉的目的，使學(xué)生將所學(xué)知識融會(huì)貫通。

2.2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟

該實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)操作步驟要求學(xué)生全程在Proteus軟件中完成，在實(shí)驗(yàn)之前，需要在軟件中配置好匯編語言編寫調(diào)試所用的MASM編輯器，配置成功后，按照圖5的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分，以I/O端口地址譯碼實(shí)驗(yàn)為例，教師提供實(shí)驗(yàn)的最初始電路原理圖，如圖6所示，該電路原理圖中8086最小系統(tǒng)、地址/數(shù)據(jù)鎖存模塊、8255A連線部分已經(jīng)畫好，學(xué)生需要將8255A與74HC138、led燈和限流電阻部分連接好，連線操作需要學(xué)生用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要連接的兩個(gè)端口，連接好的電路如圖7所示，對于設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)硬件電路圖，然后在軟件中點(diǎn)擊圖8橢圓圈所選的源代碼編譯圖標(biāo)，打開Source Code窗口進(jìn)行對應(yīng)匯編程序編寫，設(shè)計(jì)好的匯編程序如圖8所示。最后點(diǎn)擊圖9左下角橢圓所圈的三角形圖標(biāo)，進(jìn)行軟硬件的調(diào)試運(yùn)行，如果運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要學(xué)生重新修改硬件電路和匯編程序，如果運(yùn)行正常，則需要學(xué)生直接觀察或者借助于Proteus自帶的虛擬仿真儀器（比如示波器等），觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示，由圖看出，使用74HC138芯片選中l(wèi)ed燈D4，根據(jù)軟件實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并解釋原因。

3? 結(jié)? 論

為了打造適合一流本科課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，文章從“微機(jī)接口技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容兩方面進(jìn)行改革，將“兩性一度”的原則貫穿始終，打造出三層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)使教學(xué)具備經(jīng)典性，開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提升了教學(xué)的高階性和挑戰(zhàn)度，綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)使教學(xué)達(dá)到創(chuàng)新性的目的，可以將這種改革方法推廣到儀器類和計(jì)算機(jī)類相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)的線上教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見 [R/OL].（2019-10-30）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

[2] 劉麗娟，寇科，張祖漪.“微機(jī)接口技術(shù)”課程線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用 [J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（24）：178-181.

[3] 包空軍，孫占鋒.基于“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)的VB課程建設(shè)研究與實(shí)踐 [J].無線互聯(lián)科技，2021，18（4）：154-156.

[4] 吳寧，薄鈞戈，崔舒寧，等.大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革實(shí)踐與思考 [J].中國大學(xué)教學(xué)，2020（Z1）：42-45.

[5] 李珍香，李全福.Proteus仿真軟件在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)教育，2015（9）：56-60.

[6] 許雪林.微機(jī)原理接口技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及應(yīng)用 [J].福建電腦，2020，36（4）：85-87.

作者簡介：劉麗娟（1989—），女，漢族，陜西渭南人，助理工程師，碩士，研究方向：微機(jī)原理、嵌入式等實(shí)驗(yàn)教學(xué);劉娜（1989 —），女，漢族，陜西咸陽人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

收稿日期：2021-04-05

基金項(xiàng)目：西安理工大學(xué)2020年校級教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（xjy2021）