針對高職學生的虛擬化單片機實驗設計與實踐

路銘 肖琳 翟世駿 劉朝霞

摘 要 本文針對電子類高職《單片機原理及接口技術(shù)》課程在教學中出現(xiàn)的各種問題作了詳細的分析，并結(jié)合當前流行的單片機虛擬仿真軟件構(gòu)建實驗實踐內(nèi)容提出課程建設方法及思路，這有助于課后實時把抽象的理論問題更直觀地展示給學生。

關鍵詞 單片機 虛擬仿真 Proteus軟件 Keil軟件

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

1傳統(tǒng)單片機課程教學

《單片機原理與接口技術(shù)》是很多高職電子類相關專業(yè)開設的核心課程；同時，這門課程也是從事電子自動化及嵌入式應用開發(fā)等工作崗位的工程技術(shù)人員必須掌握的專業(yè)基礎理論。由于單片機是一種高度集成的數(shù)字集成電路MCU芯片，它涉及微處理器體系架構(gòu)，芯片內(nèi)部功能資源，以及軟件開發(fā)等一系列復雜的知識要素，這就要求學生不僅能夠理論與實踐相結(jié)合，而且還要掌握硬件與軟件協(xié)同設計的方法。目前，傳統(tǒng)的單片機的教學采用先理論后實驗的方式實施，其主要有以下一些問題使得老師難教學生難學，教學效果不理想。

首先，傳統(tǒng)的理論教學大多采用“講義+板書+講臺”的方式。這種方式以教師為主體，學生客觀被動接受老師傳授的知識。但是，單片機課程的特點是概念多，內(nèi)容抽象。因此，這種灌輸知識的方式不利于初學者掌握相關知識，而且缺乏互動。第二，單片機原理以匯編指令為軟件開發(fā)載體，由于指令眾多且學生需要掌握每條指令的使用方法及單片機執(zhí)行所占用的硬件資源以及執(zhí)行時間。因此，學生難于理解且枯燥無味。第三，單片機知識的邏輯性和完整性使得各部分知識銜接緊密一環(huán)扣一環(huán)。如果沒有掌握好前面的知識，則后面將難于跟上。這使得學生逐漸失去學習興趣，嚴重影響教學效果。

其次， 實驗內(nèi)容是理論課的重要補充（簡化抽象問題），并且可以為學生提供動手機會（理論與實踐相結(jié)合），但是目前專科單片機教學實驗課普遍存在這樣的問題。第一，實驗課時嚴重不足，因此短時間內(nèi)只能為學生開設一些驗證性實驗，而非設計性和綜合性實驗，這大大降低了實驗課程的教學目標。第二，實驗手段和設備類型單一，目前單片機實驗多數(shù)采用教育公司開發(fā)的硬件實驗箱，實驗內(nèi)容多為基礎驗證性實驗，開放性不足，而且價格較高。學生的學習興趣逐漸降低，其主動思考和創(chuàng)新思維仍沒有得到有效的鍛煉，所以根本不能達到實驗課真正的目的。總結(jié)教學實驗課存在的問題分別是：重理論輕實踐；理論與實踐很難互補進行；實驗教學形式單一。

2虛擬化的單片機實驗特點

隨著EDA（Electronic Design Automation）仿真軟件的發(fā)展，電子類課程相關課程逐漸開始從傳統(tǒng)試驗箱實驗轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡媾c原型實驗相結(jié)合。在教學實施中，兩個部分的實驗內(nèi)容起到了非常重要。原型實驗起到了讓學生從理論學習轉(zhuǎn)換到實際物理現(xiàn)象和作用的意義。然而，虛擬化仿真實驗不僅可以達到電子元器件零消耗；而且可以充分利用學生課后時間，進行理論與實踐互補進行；從而把抽象問題盡早解決，避免問題堆積，學生逐漸失去學習興趣。在眾多的EDA仿真軟件中，Proteus+Keil軟件在《單片機原理與接口技術(shù)》課程中起到了重要作用，其優(yōu)點是：

（1）內(nèi)容豐富且全面：基礎實驗和創(chuàng)新性、綜合性實驗都可在虛擬平臺上進行。同時，克服了單片機實驗箱，硬件電路固定、學生不能更改、實驗內(nèi)容固定等方面的局限性。

（2）經(jīng)濟優(yōu)勢明顯：器件零損耗，不用建設專用實驗室及配備相關電子測量設備，普通機房就可以實現(xiàn)。

（3）充分利用課外時間：傳統(tǒng)實驗無法實時進行，這不利于學生利用實驗觀察抽象的理論問題；然而，虛擬實驗則可以實時幫助學生驗證理論知識，而且虛擬仿真實驗效果與實際工程非常接近。同時，也加強了老師與學生的互動-以電子文件的形式發(fā)給老師。

3虛擬化單片機課程實施方案

通常，《單片機原理與接口技術(shù)》課程包括六部分內(nèi)容：單片機硬件系統(tǒng)、單片機指令系統(tǒng)、單片機程序設計、單片機中斷系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)擴展、單片機實驗。本文利用Proteus+Keil虛擬實驗平臺構(gòu)建課程實施方案，并結(jié)合一個綜合案例《基于LM35的溫度報警系統(tǒng)設計》貫通整個教學過程，其具體實施過程如下：

第一部分，單片機硬件系統(tǒng)：理論知識以講解為主，課后實驗采用Proteus軟件進行，包括三種復位電路及兩種時鐘電路實驗。同時在第一部分教學內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項目中“單片機最小系統(tǒng)”的搭建。

第二部分，單片機指令系統(tǒng)：各條指令的使用及功能以講解為主，課后實驗采用Keil軟件進行，包括五種指令集的使用，并在軟件中觀察單片機特殊功能寄存器的變化。

第三部分，單片機程序設計：程序設計常用結(jié)構(gòu)以講解為主，課后實驗以第二部分為基礎，利用Keil軟件開展順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)的虛擬實驗。同時在第三部分教學內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項目中“程序流程圖”的繪制。

第四部分，單片機中斷系統(tǒng)：中斷類型及中斷優(yōu)先級以課堂講解為主，課后實驗則利用Proteus+Keil軟件來實施，并以綜合實驗中最小系統(tǒng)為載體，開展定時流水燈及按鍵控制數(shù)碼管顯示的虛擬實驗。在第四部分教學內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項目中“定時控制數(shù)碼管顯示”的開發(fā)。

第五部分，單片機系統(tǒng)擴展：外部存儲器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、串行通信的擴展方式先理論講解，在課后實驗中以“單片機最小系統(tǒng)”為載體，分別開展三個內(nèi)容的虛擬實驗。在第五部分教學內(nèi)容結(jié)束后，完成綜合項目中“I/O、A/D及串口通信功能的擴展”并軟件測試通過。

第六部分，單片機實驗：購置綜合案例《基于LM35的溫度報警系統(tǒng)設計》所需芯片，學生焊接電路，測試及驗證所有功能。

從這個實施過程可以看出，《單片機原理與接口技術(shù)》的基礎性實驗完全被虛擬實驗所代替；而且一個綜合性實驗被開展，它貫通于整門課程的所有教學內(nèi)容；最后，學生通過實物焊接與開發(fā)，更直觀地認識到單片機課程內(nèi)容，從而提高教學效果。

基金項目：北京聯(lián)合大學2018年專業(yè)建設項目和2017年虛擬仿真實驗教學項目資助。

作者簡介：路銘（1981.10-）男，滿族，北京人，碩士，北京聯(lián)合大學，講師，研究方向：高頻開關電源結(jié)構(gòu)拓撲及控制方法。