單片機虛擬實驗室的構(gòu)建及其應(yīng)用

孫萬麟，楊蓮紅，宋莉莉

(昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉 831100)

單片機課程是一門應(yīng)用性和實踐性都很強的課程，大多數(shù)大專、高職機電類院校開設(shè)的單片機課程都輔以實驗教學(xué)，并且實驗教學(xué)多使用實驗箱。因?qū)嶒炏溆布l件所限，單片機實驗主要是一些驗證性實驗。實驗箱限制了學(xué)生的實踐空間，也抑制了一些學(xué)生積極創(chuàng)新和探索的熱情。另外，現(xiàn)用單片機開發(fā)板若要進行單步調(diào)試程序，必須配置單片機硬件仿真器。鑒于這些問題，筆者利用多種軟件聯(lián)合仿真技術(shù)，構(gòu)建了一個利用多媒體電子教室輔助的單片機虛擬實驗平臺，實現(xiàn)了與硬件幾乎無差別的軟件仿真實踐教學(xué)。

1 Keil軟件

Keil[1]是目前最流行、使用最廣泛的開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，它集程序編輯、編譯、調(diào)試和仿真等功能于一體，具有操作簡便的Windows工作界面，如今已經(jīng)成為單片機非常重要的軟件開發(fā)平臺，受到越來越多軟件開發(fā)工程師的青睞。

Keil最新版本是Keil C51 μVision4，它既能進行純軟件仿真，也能使用硬件仿真器搭接單片機硬件系統(tǒng)，當仿真器中載入項目程序后進行實時仿真。利用Keil C51 μVision4內(nèi)嵌模塊Keil Monitor-51，還能在沒有額外硬件仿真器的條件下搭接單片機硬件系統(tǒng)，對載入項目程序進行實時仿真。可以說，在教學(xué)中使用Keil軟件，就是站在單片機開發(fā)工具的最前沿。

2 Proteus

目前，單片機的軟件仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的Proteus[2-4]仿真軟件是目前最好的單片機及外圍器件的仿真工具。Proteus是一種電子設(shè)計自動化軟件，具有Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計功能，能夠仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。Proteus還提供了含有各種模擬、數(shù)字、交流、直流元器件的30多個元器件庫,元器件多達計數(shù)千種。此外，對于元件庫中沒有的器件,使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。在儀器儀表方面，Proteus除了提供常用的交、直流電壓表、電流表、示波器外，還有邏輯分析儀、計數(shù)器、SPI調(diào)試器、IIC調(diào)試器、信號發(fā)生器、點陣圖形發(fā)生器等特殊的儀器。這些虛擬儀器儀表都具有理想的參數(shù)指標，盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。

Proteus不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路及沒有單片機參與的其他電路的工作情況，而且還具有圖形動態(tài)顯示功能，可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時地顯示出來。

利用Proteus仿真軟件，在沒有硬件的情況下，不僅可以增強實驗驗證的隨時性，而且可以將許多單片機實例仿真過程形象化，易于學(xué)生理解系統(tǒng)硬件的組成，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果，是單片機實踐教學(xué)的先進手段。

3 多媒體電子教室

目前，高校多媒體電子教室[5]主要有3種形式：純軟件多媒體電子教室、純硬件多媒體電子教室及軟硬件相結(jié)合多媒體電子教室。多媒體電子教室提供了“教師—教師機—多學(xué)生機—學(xué)生”的實時交互環(huán)境，集網(wǎng)絡(luò)教室、多功能教室、語音教室等功能于一體，是一種全新的教學(xué)環(huán)境。在多媒體電子教室中，學(xué)生可以與計算機進行雙向交流，充分利用多種教學(xué)媒體進行學(xué)習(xí)，并且能參與教學(xué)活動，自己控制學(xué)習(xí)進度。

隨著電腦處理能力的增強，多媒體電子教室得到了更快的發(fā)展，可以通過純軟件方式實現(xiàn)屏幕廣播、網(wǎng)絡(luò)影院等多媒體功能，并且在延時處理、視音頻同步的技術(shù)處理上都有了巨大的突破，多媒體電子教室的應(yīng)用在學(xué)校得到普及。

4 單片機虛擬實驗室

本文綜合利用多媒體電子教室軟件、電路設(shè)計仿真軟件Proteus及單片機程序開發(fā)工具Keil，構(gòu)建了一個完整的單片機虛擬實驗室。

4.1 Proteus與Keil的設(shè)置及其仿真

(1) Proteus目錄下的VDM51.dll是用以進行仿真通信的動態(tài)鏈接庫文件，將其拷貝到Keil安裝目錄的C51/BIN文件夾中。

(2) 在Keil軟件啟動時，將從TOOLS.INI文件中讀取配置信息，以更新開發(fā)環(huán)境中的一些選擇項，而這里的聯(lián)合仿真需要將TOOLS.INI文件進行修改，具體修改信息如下：

TDRV7=BINDAS2XC800.DLL(″Infineon DAS Client for XC8)

TDRV8=BINVDM51.DLL(″Proteus VSM Monitor-51 Driver″)

RTOSO=Dummy.DLL(″Dummy″)

(3) 將Keil的仿真模式改為聯(lián)合仿真，并且對選擇的“Proteus VSM Monitor-51 Diver”進行設(shè)置。若Proteus與Keil安裝在同一臺計算機上，則選“Host”且地址為“127.0.0.1”，即回環(huán)通信，也就是計算機自身和自身的通信；如不是同一臺計算機，則填寫另一臺計算機的IP地址，實現(xiàn)遠程聯(lián)機仿真；“Port”一欄填寫“8000”，一般保持其為默認值；

(4) 打開Proteus軟件，單擊主菜單里的DEBUG，選擇“use remote debug monitor”。

4.2 Proteus與Keil離線聯(lián)合仿真

(1) 采用Keil軟件建立項目文件并進行相應(yīng)的設(shè)置。

(2) 在項目文件下添加編譯成功的源程序并生成單片機能夠識別的HEX文件。

(3) 運行Proteus軟件，搭建相應(yīng)項目實現(xiàn)的硬件原理圖。

(4) 快速右擊、左擊原理圖中的MCU模塊(如AT89C51)，此時彈出一個對話框，選擇用Keil軟件生成的項目文件所對應(yīng)的HEX文件，就實現(xiàn)了HEX文件與原理圖的關(guān)聯(lián)及綁定。

(5) 點擊Proteus軟件的運行按鈕，單片機就會按照加載的HEX文件進行靜態(tài)或動態(tài)仿真。

以液晶顯示電路為例，運用Keil軟件完成液晶顯示源程序編譯，采用Proteus軟件搭建液晶顯示硬件原理圖，進行離線聯(lián)合仿真，其運行結(jié)果如圖1所示。

圖1 液晶顯示運行結(jié)果

由圖1可知，Keil和Proteus聯(lián)合仿真實驗平臺只需要配置一般的電腦、Keil和Proteus軟件就可以實現(xiàn)，可以很好地解決傳統(tǒng)單片機實驗教學(xué)中存在的實驗設(shè)備經(jīng)費投入多、實驗內(nèi)容缺乏靈活性、實驗儀器設(shè)備損耗大和維護工作量大等弊端[6-9]。與實驗箱相比，仿真過程生動直觀，操作靈活，容易調(diào)動學(xué)生的積極性，為單片機實踐教學(xué)提供了一個良好的實驗平臺。

4.3 構(gòu)建虛擬實驗室

本文構(gòu)建的單片機虛擬實驗室[10-12]主要設(shè)備有：50臺學(xué)生機(排為2列、采用PXE無盤技術(shù)組網(wǎng)、須安裝Proteus與Keil軟件)、1臺服務(wù)器、1臺教師機(須安裝Proteus與Keil軟件)、組網(wǎng)設(shè)備(主要包括交換機、網(wǎng)線以及ADLS modem等)、投影機、分屏器、音響系統(tǒng)(2臺音箱呈對角線放置)以及大屏幕(前后各1個)等，其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 單片機虛擬實驗室布局示意圖

單片機虛擬實驗室以與校園網(wǎng)互聯(lián)的Proteus軟件平臺為基礎(chǔ)，可以進行實驗、實訓(xùn)項目，從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到PCB板設(shè)計，都能夠?qū)崿F(xiàn)教師和學(xué)生全方位互動教學(xué)，因而會大大提高實踐教學(xué)效果。當然，初學(xué)者也可以通過大屏幕觀看教師的每一步操作，然后在自己的電腦上一步步跟著教師完成實驗。

要完成一個虛擬實驗，首先要通過Proteus繪制單片機實驗板電路圖，這能幫助學(xué)生深刻理解單片機各引腳的功能、單片機內(nèi)部硬件資源的分配以及單片機各引腳與外部硬件電路的連接。然后，需要使用Keil編寫及調(diào)試控制程序代碼，再對Keil 和Proteus進行聯(lián)調(diào)。可以采用單步調(diào)試程序，這時可以實時觀察到單片機程序運行的現(xiàn)象，實現(xiàn)與硬件幾乎無差別的軟件仿真，從而提高實踐教學(xué)的效果。

由于是軟件設(shè)計仿真實驗，學(xué)生思維大可不被實驗箱硬件電路所局限，不僅能開拓學(xué)生的視野和方便學(xué)生后期對其設(shè)計進行靈活調(diào)整，而且還能通過簡便的操作實現(xiàn)設(shè)計電路模塊的移植，而這會為C51或AVR單片機項目工程設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。除此之外，在教師的教學(xué)科研項目、學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新項目以及畢業(yè)設(shè)計中，先進行電路仿真、再制作電路板及焊接硬件電路，不僅能大大提高電路設(shè)計的成功率，而且也會減少電子元器件的浪費[13-14]。

5 結(jié)束語

在單片機虛擬實驗室，學(xué)生可以使用Keil作為軟件調(diào)試平臺，以Proteus作為硬件仿真和調(diào)試平臺，不需要任何硬件就可以進行仿真實驗，就像使用硬件一樣。單片機虛擬實驗室不但縮減了理工科單片機實踐教學(xué)中采購單片機實驗箱和仿真器、更新實驗電路板以及設(shè)備維護修理的費用；還實現(xiàn)了師生全方位互動實踐教學(xué)，并有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和改善單片機實踐教學(xué)的效果。

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