基于Proteus的單片機(jī)開發(fā)課程改革探索

趙汝和 李三雁

摘 要 針對(duì)目前在應(yīng)用型本科的單片機(jī)課程教學(xué)中存在的知識(shí)點(diǎn)多、課時(shí)少、理論授課枯燥，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)昂貴、在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生難以全面掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)等問題，開展了教學(xué)改革的探索，重新進(jìn)行了“兩課設(shè)計(jì)”，充分利用“錦城在線”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，在課前、課中、課后大量使用Proteus的仿真平臺(tái)，開展課程翻轉(zhuǎn)，收到良好的效果。

關(guān)鍵詞 Proteus 教學(xué)改革 課程翻轉(zhuǎn) 單片機(jī) 應(yīng)用型本科

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.01.053

Abstract Aiming at the problems such as many knowledge points， less class hours， boring theory， less practical hands-on opportunities for students， and expensive laboratory construction， it is difficult to fully master the development of MCU application system， existing in the teaching of MCU courses in applied undergraduate. The "design of two lessons" has been redone， by "Jincheng online" online teaching platform， Proteus simulation platform is widely used， we have carried out course reversal， of course， and good results have been achieved.

Keywords Proteus; teaching reform; flipped classroom; MCU; applied undergraduate

0 前言

單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、面向控制和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，滲入到人們工作和生活的各個(gè)角落，正是由于單片機(jī)的廣泛應(yīng)用有力地推動(dòng)了各行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代。[1]《單片機(jī)開發(fā)》課程是新時(shí)期我院智能制造學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，使機(jī)械類機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生掌握單片機(jī)（8位單片機(jī)MCS-51或32位單片機(jī)ARM7）的基本工作原理，具備單片機(jī)的初步應(yīng)用能力，初步掌握設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般方法和步驟，為將來的專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及從事自動(dòng)化儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)的分析、應(yīng)用、科技開發(fā)等方面工作打下良好基礎(chǔ)，具有重要的價(jià)值。其次，單片機(jī)在四川省機(jī)器人競(jìng)賽中具有重要的作用和地位，巡線機(jī)器人項(xiàng)目、足球機(jī)器人項(xiàng)目、水下機(jī)器人項(xiàng)目、尋光機(jī)器人項(xiàng)目、熊貓樂園機(jī)器人項(xiàng)目、滅火機(jī)器人項(xiàng)目、機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目等等都是以諸如：AVR單片機(jī)、ARM單片機(jī)或51系列單片機(jī)作為控制器。再次，以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是PC后時(shí)代最熱門的研究領(lǐng)域。因此掌握單片機(jī)的基本知識(shí)、基本結(jié)構(gòu)、熟練掌握基本開發(fā)方法和手段就顯得特別重要，但是目前“單片機(jī)開發(fā)”課程的教學(xué)存在一些問題：（1）“單片機(jī)開發(fā)”課程屬于實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，理論部分涉及數(shù)字電子、模擬電子、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等很多領(lǐng)域的知識(shí)，特別抽象，枯燥，難懂，學(xué)生僅僅聽完課程根本無法完成相關(guān)的設(shè)計(jì)，造成眼高手低，動(dòng)手能力不足。（2）很多學(xué)校建立了單片機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，配備了單片機(jī)試驗(yàn)箱，通常1個(gè)試驗(yàn)箱有8-10個(gè)人，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的時(shí)候動(dòng)手的就1-2個(gè)人，大量的同學(xué)“打醬油”，沒有得到切實(shí)的鍛煉，學(xué)生動(dòng)手能力難以提高;學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，同學(xué)把芯片連接錯(cuò)誤，燒毀芯片的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。（3）試驗(yàn)箱配套的實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只需簡(jiǎn)單的連線即可，[2-4]針對(duì)這些諸多問題，如何在有限的經(jīng)費(fèi)下，采用仿真技術(shù)和手段，利用CAD技術(shù)，進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)的課程改革，提高單片機(jī)開發(fā)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和提高科研素質(zhì)就顯得尤為迫切。

1 PROTEUS簡(jiǎn)介

針對(duì)以上問題，我校智能制造學(xué)院建立了Proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，用于“單片機(jī)開發(fā)”課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，經(jīng)過三年的運(yùn)行取得良好的教學(xué)效果。Proteus是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的電路設(shè)計(jì)與分析、電路實(shí)物仿真以及印制電路板設(shè)計(jì)軟件，它可以仿真、分析各種模擬電路和集成電路。Proteus主要由ISIS和ARES兩部分軟件組成，ISIS的主要功能是完成原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真，ARES主要完成印制電路板的設(shè)計(jì)。

ISIS模塊的Proteus VSM（Virtual System Modelling）提供混合式的SPICE電路仿真，它將虛擬儀器、單片機(jī)仿真、高級(jí)圖表應(yīng)用、第三方程序開發(fā)與調(diào)試環(huán)境有機(jī)的整合起來，在搭建硬件模型后即可在個(gè)人電腦端上完成原理圖設(shè)計(jì)、以及用單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真、測(cè)試以及驗(yàn)證，它是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的有力工具，也是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)的一個(gè)重要手段。[4-5]

目前，Proteus ISIS仿真系統(tǒng)支持的主流單片機(jī)有AVR單片機(jī)系列、ARM7（LPC21xx）系列、8051/52單片機(jī)系列、PIC10/12/18系列、HC11系列等。Proteus也支持嵌入式系統(tǒng)的常見外圍電路的系統(tǒng)仿真：SPI 調(diào)試、RS232 動(dòng)態(tài)調(diào)試仿真、LCD 系統(tǒng)仿真、I 2 C 模擬調(diào)試、鍵盤模擬等等。Proteus支持的第三方軟件有Keil uVision2/3/4、AVR Studio+WinAVR、MPLAB HI-TECH PICC/PICC8/MCC8等。[5]

2 教改方案制定

根據(jù)教學(xué)改革的這個(gè)目標(biāo)，我們開展了以下的相關(guān)工作：首先我們多次開展教學(xué)教研會(huì)議，對(duì)教學(xué)大綱，對(duì)教學(xué)目的、教學(xué)方法、教學(xué)過程和手段進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，按照錦城學(xué)院“兩課設(shè)計(jì)”即：“課程設(shè)計(jì)”和“課堂設(shè)計(jì)”的要求進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并制定了基于Proteus的課程改革實(shí)施方案，具體方案包括以下幾個(gè)方面。

（1）強(qiáng)調(diào)理論課堂。老師在理論課堂中按部就班的講解單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、串口通信、I/O接口電路等基本知識(shí)，然后介紹常見的外圍電路及器件，諸如ADC0809＼DAC0832等。主要講解基本原理、基本概念、介紹基本方法。在理論課堂中開展課程翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生們提前學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論，帶上問題到教室里面和老師交流、討論。

（2）增加基于Proteus的實(shí)驗(yàn)課堂的比例。每次課程分成兩個(gè)環(huán)節(jié)，第一個(gè)環(huán)節(jié)講解討論理論知識(shí)，第二個(gè)環(huán)節(jié)就是實(shí)驗(yàn)操作演示和交流，解決基本的動(dòng)手能力，讓學(xué)生熟悉電子器件和單片機(jī)的基本使用，主要是基于Proteus軟件在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)原理圖的設(shè)計(jì)，電路的連接、使用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部寄存器、外圍器件的操作，并顯示仿真結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)課堂中開展課程翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生們提前學(xué)習(xí)觀看錄像，到實(shí)驗(yàn)室操作演示相關(guān)的內(nèi)容，比如：流水燈、定時(shí)器、按鍵識(shí)別與掃描、點(diǎn)亮7段數(shù)碼管等等專題。

（3）短視頻的拍攝和網(wǎng)絡(luò)課堂建設(shè)。借助于現(xiàn)代教學(xué)手段我們拍攝了30段基于Proteus的演示教學(xué)視頻，并上傳到錦城在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，要求學(xué)生觀看，在錦城在線上師生互動(dòng)交流。

（4）靈活使用多種教學(xué)方法。在本門課程中重點(diǎn)推薦使用問題導(dǎo)向教學(xué)法、案例分析法、模擬仿真教學(xué)法、項(xiàng)目式教學(xué)法、案例分析教學(xué)法等教學(xué)方法。在介紹單片機(jī)的概況時(shí)采用問題導(dǎo)向教學(xué)法;在介紹人機(jī)接口、串口、AD/DA的時(shí)候采用模仿真教學(xué)法;在Proteus介紹 7段數(shù)碼管、ADC0832等器件的時(shí)候采用模擬仿真教學(xué)法;在做巡線小車的時(shí)候采用項(xiàng)目式教學(xué)法;在期末的時(shí)候會(huì)詳細(xì)介紹一個(gè)典型應(yīng)用案例日歷表的設(shè)計(jì)，采用案例分析方法。

（5）翻轉(zhuǎn)課堂。在“單片機(jī)開發(fā)”課程的教改方案中強(qiáng)調(diào)了課程翻轉(zhuǎn)的應(yīng)用，本門課程開展課程翻轉(zhuǎn)的次數(shù)在10次以上。

3 Proteus在教學(xué)中的應(yīng)用以DAC0832為例

DAC稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，它是將計(jì)算機(jī)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換在測(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用， D/A轉(zhuǎn)換在教學(xué)中也是重點(diǎn)和難點(diǎn)，在普通的教科書上理論較多，而且枯燥，學(xué)生在學(xué)習(xí)以后感覺空洞，掌握DA的學(xué)生基本在10%左右。

3.1 DAC的課前資料準(zhǔn)備

對(duì)于這一部分的內(nèi)容，老師在課前需要根據(jù)教學(xué)大綱準(zhǔn)備詳細(xì)的課前學(xué)習(xí)資料：

（1）PPT的準(zhǔn)備，包括基本的知識(shí)點(diǎn)，包括D/A的基本概念，T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換原理，轉(zhuǎn)換精度、分辨率等基本概念，DAC0832芯片介紹，DAC0832的三種工作方式介紹，DAC0832和單片機(jī)的接口等基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）視頻拍攝。為了少占用講課的時(shí)間，增加課堂學(xué)生和老師交流的時(shí)間，為了促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，我們拍攝了講課的微視頻課程，微視頻以15分鐘1節(jié)，主要是基本的知識(shí)點(diǎn)。

（3）課前擴(kuò)展作業(yè)。 課前作業(yè)一般都是個(gè)性化的作業(yè)，根據(jù)學(xué)生的情況而有所不同，以DA轉(zhuǎn)換為例我們給同學(xué)們安排的課前作業(yè)就是：請(qǐng)DA芯片嘗試完成1個(gè)占空比為50%方波的系統(tǒng)，需要完成原理圖設(shè)計(jì)，完成程序設(shè)計(jì)，需要用Proteus完成仿真，要求用示波器觀察到波形。

3.2 課前輔導(dǎo)和答疑

一旦設(shè)定好課前的任務(wù)，學(xué)生在課前觀看視頻，學(xué)習(xí)基本的知識(shí)，完成教材閱讀，然后根據(jù)老師提的任務(wù)上網(wǎng)查詢相關(guān)的資料，學(xué)習(xí)Proteus的使用，完成原理圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試，如果碰到了相關(guān)的疑問，老師在我校的學(xué)習(xí)平臺(tái)“錦城在線”進(jìn)行答疑，幫助學(xué)生完成任務(wù)（圖1）。

3.3 課程中的學(xué)生討論和課程翻轉(zhuǎn)

在任務(wù)一旦布置后在有限的時(shí)間段，學(xué)生通過查詢資料，設(shè)計(jì)電路和調(diào)試程序，在上課的時(shí)候?qū)W生們帶上自己的成果帶上自己的疑問到教室和同學(xué)、老師交流匯報(bào)，匯報(bào)的工具平臺(tái)是proteus平臺(tái)。在課程翻轉(zhuǎn)的時(shí)候如果部分學(xué)生的程序、原理圖存在問題的，老師可以在實(shí)驗(yàn)室直接指出錯(cuò)誤，幫助調(diào)試程序，讓學(xué)生糾正錯(cuò)誤，讓學(xué)生可以通過虛擬示波器看到結(jié)果。

3.4 Proteus中的重難點(diǎn)分析和把控

（1）單片機(jī)的最小系統(tǒng)。在proteus的仿真電路中我們第一個(gè)工作就是搭建最小系統(tǒng)，電路主要包含單片機(jī)、電阻、按鍵、電容和晶振構(gòu)成的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，在時(shí)鐘電路中一定要注意晶振的頻率需要在Proteus中設(shè)定，通常設(shè)定為12MHZ。同學(xué)們?cè)O(shè)置最容易出現(xiàn)問題的就是晶振的頻率忘記設(shè)定或設(shè)定不正確造成仿真沒有效果（圖2）。[4，5]

（2）DAC0832工作方式和端口的接線。在DAC0832芯片在工作時(shí)有單緩沖、雙緩沖和直通工作方式，對(duì)于初學(xué)者我們通常建議采用直通工作方式工作，即：ILE接高電平、CS端口接低電平、WR1、WR2，數(shù)據(jù)傳送控制端XFER端口接低電平。在運(yùn)放的輸出端口接1000歐姆的電阻，同時(shí)接一個(gè)虛擬示波器觀察輸出波形。DAC0832的DI0～DI7一共八個(gè)端口分別接到P1端口的P1.0～P1.7。[5]

（3）DAC0832產(chǎn)生三角波的程序流程。DAC0832工作的流程是系統(tǒng)開始仿真后，單片機(jī)完成相關(guān)的參數(shù)的初始化，系統(tǒng)設(shè)定了一個(gè)變量i并賦初值為0，在延時(shí)后立即把i值通過P1端口送到DAC0832開始轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓值，然后判斷值是否達(dá)到255，如果沒有達(dá)到255，變量i自增1，如果達(dá)到255重新賦值為0，再次開始循環(huán)，系統(tǒng)工作流程詳見圖3。

在keil軟件中建立新的工程，選擇單片機(jī)和原理圖的單片機(jī)一致，輸入C語(yǔ)言程序后編譯連接后生成HEX文件，把HEX文件導(dǎo)入到Proteus中即可開始仿真，仿真的效果圖4所示。

當(dāng)學(xué)生成功地完成課前預(yù)習(xí)、課前項(xiàng)目準(zhǔn)備、課堂的現(xiàn)場(chǎng)交流與答疑后十分有成就感，極大的鍛煉了自學(xué)能力、動(dòng)手能力、演講的能力，學(xué)生也很快掌握了D/A轉(zhuǎn)換的基本概念、T型電阻網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換原理，掌握了DAC0832的3種工作方式，提高了C語(yǔ)言編程的能力，學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)的自信心也就提高了。

4 教改前后的教學(xué)效果對(duì)比

在教學(xué)后通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)在課程改革后的學(xué)時(shí)投入學(xué)習(xí)的時(shí)間由原來的平均32學(xué)時(shí)提高到接近60學(xué)時(shí)，學(xué)生充分激發(fā)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，課堂的參與人數(shù)由原來試驗(yàn)箱模式的20%左右提高到100%，以前的實(shí)驗(yàn)只能完成4個(gè)左右現(xiàn)在可以借助Proteus平臺(tái)完成10個(gè)專題實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的滿意度也提高到98以上，詳見表1，教改前后教學(xué)效果對(duì)比表。

5 總結(jié)

本文介紹了一種采用Proteus平臺(tái)為核心的“單片機(jī)開發(fā)”課程教學(xué)改革中的一些方法和經(jīng)驗(yàn)，Proteus可以憑借其強(qiáng)大的仿真和在線調(diào)試能力在單片的教學(xué)和嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮較大的作用，學(xué)生可以在沒有購(gòu)買硬件試驗(yàn)箱的條件下學(xué)習(xí)相關(guān)的開發(fā)系統(tǒng)、開發(fā)者可以在沒有完成PCB制作、打板之前的方案驗(yàn)證，實(shí)踐證明基于Proteus的單片機(jī)的仿真和調(diào)試在教學(xué)和實(shí)際開發(fā)中具有較大的推廣價(jià)值。在另外一方面仿真環(huán)境還不能完全替代實(shí)物，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中必須在仿真、方案驗(yàn)證后，還必須有實(shí)物的調(diào)試、測(cè)試才可以批量生產(chǎn)。

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