基于Proteus的網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

摘 要: 通過對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，作者找出了現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)的不足，并針對這些問題，提出了基于Proteus的網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)，從而解決了現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題。

關(guān)鍵詞: 單片機(jī) Proteus 網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī) 開放實(shí)驗(yàn)室

1.引言

高校實(shí)驗(yàn)室不僅要滿足課程實(shí)驗(yàn)的需要，而且要為科研和學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展提供基地。它是培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力應(yīng)用型人才的重要保障，直接影響著創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理是教學(xué)改革的重中之重，其中實(shí)驗(yàn)室的開放是實(shí)驗(yàn)室生命的源泉，而這一點(diǎn)常常被人們忽視[1]。我通過分析所在學(xué)校單片機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，以及單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中存在的問題，提出了網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方法，并根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)狀，對實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的虛擬化，以及實(shí)驗(yàn)室開放管理等方面進(jìn)行了探索研究。

2.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

《單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的特點(diǎn)是應(yīng)用性強(qiáng)，要求有較多的動手實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室的開放性與硬件實(shí)驗(yàn)資源的充足程度是讓學(xué)生有更多動手實(shí)踐機(jī)會的關(guān)鍵所在。目前，我校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要存在如下不足。

2.1實(shí)驗(yàn)條件不足，開放度不夠。

目前，很多學(xué)校都嘗試開放實(shí)驗(yàn)室，希望能夠讓學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動探索，這有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，提高綜合素質(zhì)。但是，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，往往效果都不盡如人意。以我院為例，《單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)室的硬件情況是約20臺套實(shí)驗(yàn)硬件平臺，開設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，每組3—4人。這樣，每次操作的學(xué)生只有1—2人。另外，實(shí)驗(yàn)課程平均每學(xué)期80學(xué)時(shí)，而實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間大約50學(xué)時(shí)/學(xué)期，其他時(shí)間基本都是空閑的。顯然，由于實(shí)驗(yàn)硬件條件、時(shí)間和空間所限，該實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)條件不能為學(xué)生提供更多的動手機(jī)會。

2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新。

由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)所限，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中的教學(xué)內(nèi)容都相對簡單，并且大部分的實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的操作步驟，學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都是“傻瓜式”操作。對于不善于思考的學(xué)生，不能很好地起到思維訓(xùn)練的教學(xué)目的。另外，學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都相對較固定。由于硬件實(shí)驗(yàn)箱所限，學(xué)生不能靈活完成綜合性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這一點(diǎn)不足，在每學(xué)期學(xué)生做課程設(shè)計(jì)的時(shí)侯，顯得尤為突出。

2.3設(shè)備管理維護(hù)困難。

由于在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的流動性比較大，常常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱中元器件燒壞、實(shí)驗(yàn)臺式電腦的軟件平臺丟失文件和其他的一些問題。這些問題給實(shí)驗(yàn)室的管理和維護(hù)都增加了不少人力和硬件成本。另外，對于開放實(shí)驗(yàn)室時(shí)間，需要額外為安排工作人員負(fù)責(zé)管理實(shí)驗(yàn)室，這也增加了管理成本。

3.基于Proteus的網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)室

通過以上對我院《單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)課程與管理方面存在問題的分析，論文下面對具有網(wǎng)絡(luò)化的單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)的建設(shè)方案進(jìn)行了研究和探索。

3.1 Proteus的功能。

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析、實(shí)物仿真與印制電路板設(shè)計(jì)軟件，它可以仿真、分析各種模擬電路與集成電路，軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件與外部設(shè)備，以及各種虛擬儀器，特別是它具有對單片機(jī)及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。它支持的單片機(jī)類型很多，支持大量的存儲器和外圍芯片，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢，是未來單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的新趨勢之一[2]。Proteus有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)版產(chǎn)品，支持局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工作，這使得建立虛擬開放的單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室成為可能。

3.2網(wǎng)絡(luò)化單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

針對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺存在的不足，充分利用Proteus軟件的強(qiáng)大單片機(jī)和外圍電路仿真功能，以及支持網(wǎng)絡(luò)平臺聯(lián)網(wǎng)功能的特性，結(jié)合我院實(shí)際情況，我構(gòu)建了以下網(wǎng)絡(luò)化單片機(jī)虛擬開放實(shí)驗(yàn)室平臺，如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)化的單片機(jī)虛擬開放實(shí)驗(yàn)室總體上包括3部分內(nèi)容。第一部分是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理部分，即圖中的網(wǎng)絡(luò)管理中心部分。該部分的主要功能是完成整個(gè)網(wǎng)上開放實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器部分。Proteus服務(wù)器上需要安裝網(wǎng)絡(luò)版的Proteus軟件，該軟件是進(jìn)行校園內(nèi)網(wǎng)上單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模擬仿真的基礎(chǔ)軟件。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理中心網(wǎng)絡(luò)通過校園網(wǎng)與學(xué)生宿舍和實(shí)驗(yàn)室(教師辦公室)相連，以便于用戶隨時(shí)可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行“開放”的單片機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。第二部分是校園網(wǎng)部分。該部分基于我?，F(xiàn)成的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供虛擬開放實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)平臺。第三部分是分布在校園內(nèi)的各種Proteus客戶終端。客戶終端主要由兩大類用戶構(gòu)成，即宿舍內(nèi)的學(xué)生個(gè)人電腦和實(shí)驗(yàn)室、辦公室的電腦。所有的客戶端需要安裝Proteus的客戶端程序?？蛻舳送ㄟ^校園網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器上的資源包。

3.3網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)。

首先，現(xiàn)有電子類實(shí)驗(yàn)室是封閉式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即在規(guī)定的課時(shí)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生在規(guī)定的場地內(nèi)，進(jìn)行規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;現(xiàn)有的各種電子類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，基本是進(jìn)行固定程式的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的元器件，線路板已選好，學(xué)生所做的工作僅是對實(shí)驗(yàn)箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立相應(yīng)概念而已。理論上，以上不足都不利于鞏固所學(xué)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)效果;不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。當(dāng)采用基于Proteus的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，有利于克服以上不足。

其次，在實(shí)踐方面，基于Proteus的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，一方面，解決了時(shí)間與場地的限制(建立Proteus的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，只要有網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地都可以登錄服務(wù)器學(xué)習(xí))，使學(xué)生能有充夠的時(shí)間深入了解及研究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣也得到了鼓勵(lì)和保護(hù)。另一方面，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。基于網(wǎng)絡(luò)的Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)室，使得以下過程成為可能:學(xué)生從有一個(gè)概念(或想法)開始，然后著手電路原理圖的設(shè)計(jì)、編寫程序代碼、調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)，最后形成產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程的訓(xùn)練。

最后，利用Proteus軟件建立的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，只要配備相應(yīng)的軟件，就可以作為電路分析、電子技術(shù)、嵌入式等課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。因此，該實(shí)驗(yàn)平臺將是一個(gè)多功能的、先進(jìn)的、創(chuàng)新型的、易于管理和維護(hù)及低投入高回報(bào)的實(shí)驗(yàn)平臺。

4.結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)化虛擬單片機(jī)開放實(shí)驗(yàn)室不僅合理利用了學(xué)生個(gè)人的電腦資源，在開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)生隨時(shí)都可以做實(shí)驗(yàn)，而且網(wǎng)絡(luò)化的平臺降低了管理人員的數(shù)量和維護(hù)工作量。該平臺能給予學(xué)生更大的自由度，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，極大地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1]謝玲等.高校開放嵌入式實(shí)驗(yàn)室的探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，(7):55-57.

[2]Proteus與電子學(xué)教學(xué)，http://www.windway.cn/Plans.asp?sid=67.