虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析

許燕

摘? ?要：單片機(jī)具有體積小、耗能低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各大高校電子信息專業(yè)也逐漸開始開設(shè)單片機(jī)課程。單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，為了解決課堂教學(xué)死板、受時間與空間限制等問題，將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用在單片機(jī)教學(xué)中，通過實(shí)例分析來驗(yàn)證虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;單片機(jī)教學(xué);應(yīng)用分析

隨著社會科技的進(jìn)步與發(fā)展，高等院校的教學(xué)已經(jīng)將單片機(jī)課程放在重要位置。單片機(jī)技術(shù)成為工科專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技術(shù)，是學(xué)生走向社會需要具備的重要專業(yè)技能。單片機(jī)技術(shù)會涉及通信、微機(jī)接口、編程等多方面知識，是一項(xiàng)軟件、硬件相結(jié)合的技術(shù)。先理論后實(shí)踐的傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)效果并不樂觀，單片機(jī)教學(xué)需要結(jié)合應(yīng)用型人才的需求，將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，將抽象的教學(xué)內(nèi)容直觀化，進(jìn)一步改善教學(xué)效果。

1? ? 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1? 課堂教學(xué)不夠直觀

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)大多采用板書與多媒體課件相結(jié)合的手段來進(jìn)行理論教學(xué)，然后通過試驗(yàn)箱進(jìn)行一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐操作與理論知識脫節(jié)。在理論教學(xué)中，講解的內(nèi)容往往比較抽象，課堂實(shí)例也不能夠檢驗(yàn)接口電路的可行性，無法對電路運(yùn)行的最終結(jié)果進(jìn)行判定，學(xué)生缺乏直觀的體驗(yàn)與認(rèn)識，嚴(yán)重影響學(xué)生積極性，試驗(yàn)箱的驗(yàn)證也僅是簡單地連線便可完成，學(xué)生無法了解單片機(jī)接口電路的工作原理。

1.2? 實(shí)踐環(huán)節(jié)受資源與時間限制

在課堂上，由于硬件設(shè)備量大，所以很難進(jìn)行實(shí)際演示，單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)的要求非常高，而在計(jì)算機(jī)、電源、試驗(yàn)箱等設(shè)備的連接中，一旦出現(xiàn)失誤，會導(dǎo)致電路板、仿真接口燒毀，造成一定的損失[1]，導(dǎo)致學(xué)生在針對單片機(jī)功能進(jìn)行自主設(shè)計(jì)時存在一定的局限，學(xué)生實(shí)際動手機(jī)會不多，無法發(fā)揮主觀能動性，導(dǎo)致學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新意識受限。

1.3? 缺乏設(shè)計(jì)的整體協(xié)調(diào)性

單片機(jī)教學(xué)的最終目標(biāo)在于讓學(xué)生能夠掌握單片機(jī)軟件編程以及了解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)階段軟件與硬件分離的教學(xué)方式，學(xué)生很難從單片機(jī)系統(tǒng)的角度來對單片機(jī)軟硬件結(jié)合技術(shù)進(jìn)行理解，教學(xué)中工程實(shí)踐設(shè)計(jì)的缺失導(dǎo)致學(xué)生喪失了整體設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)能力。許多院校在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面投入有限，無法進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)操作，嚴(yán)重影響學(xué)生對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體協(xié)調(diào)性。

2? ? 虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)是一種模擬技術(shù)，通過虛擬系統(tǒng)來對真實(shí)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。在單片機(jī)教學(xué)中，經(jīng)常會運(yùn)用到Proteus仿真軟件對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真[2-3]。該軟件能夠?qū)纹瑱C(jī)及外圍器件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，能夠?qū)㈦娐贩抡孳浖⒂∷㈦娐钒澹≒rinted Circuit Board，PCB）設(shè)計(jì)、虛擬模型仿真軟件3者合為一體。Keil軟件是單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)軟件，能夠支持C語言及混合編程，是一款兼容51系列單片機(jī)的開發(fā)工具，能夠在無硬件情況下進(jìn)行程序的調(diào)試與仿真。運(yùn)用Proteus仿真軟件來建立單片機(jī)虛擬系統(tǒng)，然后運(yùn)用Keil軟件對程序進(jìn)行調(diào)試，通過二者的結(jié)合來模擬出單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

3? ? Proteus與Keil聯(lián)合仿真

Proteus與Keil的聯(lián)合仿真，首先，需要在Keil環(huán)境下安裝驅(qū)動程序并且建立起相應(yīng)的項(xiàng)目文件，根據(jù)仿真內(nèi)容來繪制電路圖并且編寫單片機(jī)程序代碼，設(shè)置Keil環(huán)境下項(xiàng)目文件的“Target”選項(xiàng)，選擇“Debug”方式為“Proteus VSM Simulator”。其次，在Keil環(huán)境下進(jìn)行項(xiàng)目文件編譯，運(yùn)行單片機(jī)程序。最后，在Proteus環(huán)境中對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行觀測，一旦結(jié)果出現(xiàn)錯誤，要及時到Keil環(huán)境中進(jìn)行修改，直至運(yùn)行結(jié)果正確為止。

4? ? Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)生可以在仿真的環(huán)境下，運(yùn)用Proteus虛擬技術(shù)，結(jié)合任務(wù)需求來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，對任務(wù)的完成不會受到空間與時間的限制，而且不會產(chǎn)生過多成本，為學(xué)生的實(shí)踐操作提供一定自主性，讓學(xué)生加強(qiáng)對考察內(nèi)容的思考，通過虛擬技術(shù)來提升學(xué)生解決問題的能力。在單片機(jī)教學(xué)過程中，可以通過Proteus虛擬技術(shù)來對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行演示，使知識點(diǎn)體現(xiàn)地更加直觀，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教師也可以通過仿真技術(shù)來制作教學(xué)課件，通過生動的演示，讓學(xué)生對單片機(jī)產(chǎn)生感性認(rèn)識，通過Proteus有助于對概念進(jìn)行明確，有效解決難點(diǎn)，在單片機(jī)教學(xué)中會存在大量的重點(diǎn)與難點(diǎn)，例如終端優(yōu)先級便是比較難掌握的內(nèi)容。運(yùn)用Proteus進(jìn)行仿真，學(xué)生能夠直接參與操作，使顯示更加直接，在Proteus仿真演示界面中，會對仿真片段進(jìn)行演示，運(yùn)用兩個按鍵來控制外中斷上溢中斷（Interrupt on Overflow，INTO）和INTI，啟動仿真程序之后，數(shù)碼管會從0到9反復(fù)循環(huán)顯示，假設(shè)在數(shù)碼管顯示3時按下低優(yōu)先級按鍵，則主程序中斷數(shù)碼管會顯示停留在3，再次啟動低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，數(shù)碼管又會從0開始運(yùn)行，假設(shè)運(yùn)行到顯示7時按下高優(yōu)先級按鍵，產(chǎn)生高優(yōu)先級INTI外中斷，這時高優(yōu)先級中斷打斷低優(yōu)先級中斷，低優(yōu)先級數(shù)碼管顯示停留在7，啟動高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序。高優(yōu)先級數(shù)碼管從0開始運(yùn)行，直到顯示9后結(jié)束高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，返回執(zhí)行低優(yōu)先級尚未完成的中斷服務(wù)程序，結(jié)束后再返回執(zhí)行主程序。在這種虛擬的環(huán)境下，單片機(jī)技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)會變得更加形象、直觀，教師與學(xué)生能夠通過對原理圖的虛擬來完成編程，學(xué)生可以對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高教學(xué)效率與教學(xué)效果[4]。

5? ? 單片機(jī)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)例

實(shí)例要求：運(yùn)用AT89C51單片機(jī)的P1.0引腳控制單個LED的閃爍，通過調(diào)整軟件參數(shù)來調(diào)節(jié)LED閃爍頻率。

5.1? 仿真電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，在Proteus ISIS編輯區(qū)對系統(tǒng)仿真電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時，學(xué)生要對單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行搭建，包括時鐘電路、復(fù)位電路等。確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，然后用P1.0引腳外接一個LED，通過對P1.0引腳的輸出電平來對LED的閃爍進(jìn)行控制。

5.2? 編程設(shè)計(jì)

編程設(shè)計(jì)需要在Keil軟件環(huán)境下完成，在硬件電路圖完成之后，學(xué)生會了解高LED閃爍是由P1.0高低電平來進(jìn)行控制的，在編程時，可以在P1.0引腳電平取反后調(diào)用一段延時子程序delay（uchar n），通過對n值的改變來控制LED閃爍頻率，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

該程序首選對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并給出n賦初值，然后根據(jù)P1.0引腳電平取反使LED燈交替亮滅，通過延時子程序保持該狀態(tài)，當(dāng)延時時間到時就給P1.0引腳取反，以此循環(huán)。在Proteus環(huán)境下，將Keil所生成的.hex文件加載到單片機(jī)上，經(jīng)過仿真調(diào)試來觀察在程序運(yùn)行時LED燈的亮滅，通過修改延時子程序中的n值，來觀察LED燈的閃爍變化[5]。

5.3? 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐操作之后，要對仿真實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的單片機(jī)理論知識及原理進(jìn)行總結(jié)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在老師的建議與指導(dǎo)下進(jìn)行優(yōu)化與完善。

6? ? 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式

實(shí)際電路的布局、搭建與仿真電路是存在一定區(qū)別的，不能完全用理論電路圖來替代實(shí)際電路的布局與接線，訓(xùn)練學(xué)生能力的重要途徑是提升學(xué)生解決問題的能力，硬件電力實(shí)訓(xùn)對學(xué)生學(xué)習(xí)識別元器件、焊接訓(xùn)練、接線等都有著重要意義。在硬件電路實(shí)訓(xùn)中，如果電路設(shè)計(jì)成功，學(xué)生便能夠直觀地看到自己的設(shè)計(jì)成果得以實(shí)際運(yùn)行，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及提升成就感，促進(jìn)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)。

針對以上問題進(jìn)行分析，在單片機(jī)教學(xué)中，要采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)手段，既要進(jìn)行虛擬仿真又要進(jìn)行硬件電路實(shí)訓(xùn)，在實(shí)驗(yàn)課程中，要正確引導(dǎo)學(xué)生按照產(chǎn)品開發(fā)的思路，對產(chǎn)品需求進(jìn)行分析，然后選擇電路元器件，查詢外圍電路的原理以及功能，對電路框架進(jìn)行分析，畫出電路圖進(jìn)行虛擬仿真，通過硬件平臺、軟件系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)際操作，最后，對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行觀察并且寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過這些環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)思路。另外，對理論知識的講解要由淺入深，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互穿插，當(dāng)學(xué)生掌握了基本的體系結(jié)構(gòu)以及匯編語言后便可以進(jìn)行簡單的實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生能夠及時地看到學(xué)習(xí)成效。在虛擬結(jié)合教學(xué)方法中，老師要引導(dǎo)學(xué)生對比虛擬仿真與硬件電路實(shí)訓(xùn)的差異，分析各自的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的各自興趣來培養(yǎng)特長，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)層面，將單片機(jī)與相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，通過典型的案例將所學(xué)知識進(jìn)行貫通。

7? ? 結(jié)語

單片機(jī)屬于現(xiàn)代電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展。單片機(jī)課程實(shí)踐性很強(qiáng)，并且運(yùn)用過程以及內(nèi)部構(gòu)造都比較抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難提高教學(xué)質(zhì)量。在單片機(jī)教學(xué)中，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)能夠讓學(xué)生與現(xiàn)代信息技術(shù)下的硬件與軟件系統(tǒng)充分接觸，通過仿真技術(shù)將抽象的理論知識進(jìn)行形象化，幫助學(xué)生深入理解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不會受到硬件實(shí)驗(yàn)資源的限制，學(xué)生可以隨時隨地地進(jìn)行實(shí)踐，經(jīng)過教師的正確指導(dǎo)來完成各類項(xiàng)目任務(wù)，從而提升教學(xué)效果。

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