基于Protues在“嵌入式”教學(xué)改革中的應(yīng)用

甘輝 呂美妮 王奎奎

摘要：針對傳統(tǒng)《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程教學(xué)中存在的問題，提出了通過仿真演示、工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的新方法，運(yùn)用Protues 仿真軟件輔助教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并以“基于STM32內(nèi)部雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示”為例，設(shè)計(jì)基于Protues的雙通道ADC采集顯示系統(tǒng)，教學(xué)結(jié)果顯示，方法有效地鍛煉了學(xué)生應(yīng)用開發(fā)能力，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Protues;嵌入式;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）31-0007-02

《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》是電子信息工程、通信工程、光信息科學(xué)等專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。如今，科技快速發(fā)展，嵌入式芯片迭代快速，嵌入式開發(fā)方法多種多樣，使得教學(xué)內(nèi)容更加復(fù)雜。在教學(xué)過程中存在教師授課內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程教學(xué)無法達(dá)到滿意的效果。針對該課程實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，本文提出在《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程中引入Protues 仿真軟件，充分發(fā)揮其靈活性，強(qiáng)有力的輔助課程教學(xué)，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)“嵌入式”課程教學(xué)中存在的問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容抽象

現(xiàn)階段，《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程教學(xué)，基本上是以理論教學(xué)為主，結(jié)合部分課程實(shí)驗(yàn)為輔助的教學(xué)方案。教師在理論教學(xué)時(shí)，先講解嵌入式硬件組成原理，再結(jié)合一些實(shí)例講解。由于學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)組成缺乏宏觀認(rèn)識(shí)[1]，導(dǎo)致在聽課過程中，對該內(nèi)容一知半解，只能被動(dòng)記憶，故感覺枯燥乏味，喪失學(xué)習(xí)激情，最終導(dǎo)致課程教學(xué)效果無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.2 受地點(diǎn)和設(shè)備限制，缺乏實(shí)踐能力

現(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)課需要在實(shí)驗(yàn)室采用專用的試驗(yàn)箱方能開展實(shí)驗(yàn)。由于現(xiàn)有試驗(yàn)箱，采用高度集成的模塊化設(shè)計(jì)[2]，所以完成實(shí)驗(yàn)只需按照配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成以下幾步流程：新建工程、輸入程序、編譯工程、連接模塊之間的導(dǎo)線、下載編譯文件到實(shí)驗(yàn)設(shè)備里面，就會(huì)得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了。這類試驗(yàn)箱，電路固定，大部分電路都封裝在面板下面，學(xué)生在似懂非懂的情況下完成實(shí)驗(yàn)，但對所做實(shí)驗(yàn)整體框架的組成以及電路原理無法深入了解。顯然這類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏獨(dú)立思考和實(shí)踐動(dòng)手能力，無法培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

2 基于Protues仿真軟件在“嵌入式”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

Protues仿真軟件自帶了30幾個(gè)常用的仿真元件庫和各類常用仿真電子儀器、儀表，能夠滿足各類模擬、數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)[3]。《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程基于目前市場上最暢銷的ST公司系列的芯片開展的教學(xué)計(jì)劃。在新發(fā)布的Protues8.9軟件版本中，添加了內(nèi)核M3、M4系列的ST公司芯片，給予廣大電子愛好者基于嵌入式系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)開發(fā)帶來了方便。

2.1 靈活教學(xué)、激發(fā)熱情、提高能力

Proues軟件系統(tǒng)仿真具有很強(qiáng)的靈活性。在理論課授課過程中，教師可以根據(jù)課程內(nèi)容搭建嵌入式系統(tǒng)小電路，采用LED燈、數(shù)碼管等虛擬顯示元件模塊，再加上部分虛擬信號(hào)發(fā)生器、示波器作輔助[4]，通過演示現(xiàn)象，講解系統(tǒng)原理，使得枯燥乏味的理論課變得形象生動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)工作原理的感性認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的學(xué)習(xí)激情。在實(shí)驗(yàn)課實(shí)施過程中，可以將班級(jí)同學(xué)分成3個(gè)人一小組，每一組分配不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，各組根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路，搭建仿真系統(tǒng)，編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求。如此，在課后學(xué)生可以根據(jù)理論課學(xué)到的知識(shí)自主搭建電路，練習(xí)編程，打破了實(shí)驗(yàn)必須要在實(shí)驗(yàn)室且依賴試驗(yàn)箱的限制。Protues仿真軟件的輔助，利于教師好講課、講好課，使得學(xué)生聽懂課、愛聽課，進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)踐操作能力。

2.2 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

使用Proues軟件搭建嵌入式仿真系統(tǒng)，采用Keil軟件編寫嵌入式功能代碼，通過相關(guān)配置使得兩個(gè)軟件相互關(guān)聯(lián)[5]。在Keil編寫好的工程，采用單步調(diào)試、斷點(diǎn)調(diào)試、全速運(yùn)行等調(diào)試方法，同步在Protues軟件的嵌入式系統(tǒng)上產(chǎn)生相應(yīng)的變化，使得嵌入式系統(tǒng)從代碼到系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行清晰透明，使得學(xué)生了解每一步運(yùn)行的變化，加深對嵌入式系統(tǒng)組成原理及運(yùn)行機(jī)制的理解。

3 教學(xué)實(shí)例

3.1 “模數(shù)轉(zhuǎn)換顯示”實(shí)例

本文以“基于STM32內(nèi)部雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示”為例，設(shè)計(jì)基于Protues的雙通道ADC采集顯示系統(tǒng)。首先根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)組成框圖，調(diào)用Protues中的元件組成仿真系統(tǒng)，如圖2所示。使用到的資源有：LCD1602顯示器、10k的滑動(dòng)電阻、STM32F103R6芯片、直流電壓表。系統(tǒng)將VCC、AVCC設(shè)置為3.3v，GND，AGND設(shè)置為0v。LCD1602顯示器R/W引腳接地，默認(rèn)為只寫模式。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：參考STM32F103R6手冊資料。軟件編程分成以下幾個(gè)步驟第一步：配置STM32相關(guān)外設(shè)時(shí)鐘，本系統(tǒng)使用到的芯片外設(shè)資源有，GPIO，ADC。第二步：初始化外設(shè)，LCD1602數(shù)據(jù)引腳和控制引腳配置為推挽輸出，LCD1602配置為兩行顯示、關(guān)光標(biāo)、無閃爍、光標(biāo)右移。模擬轉(zhuǎn)換器ADC引腳PA1、PA2引腳配置為模擬輸入，功能設(shè)置為：12位轉(zhuǎn)換精度、數(shù)據(jù)靠右、雙通道軟件觸發(fā)。第三步：軟件觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。第四步：等待模數(shù)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位為1。第五步，清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，讀取轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)，根據(jù)公式1計(jì)算獲取實(shí)際模擬輸入電壓。第六步：將采集到的量化電壓數(shù)據(jù)、計(jì)算后的模擬電壓數(shù)據(jù)在LCD1602上顯示。

系統(tǒng)轉(zhuǎn)換原理：模數(shù)轉(zhuǎn)換采用以下公式1進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中Vin 為模擬輸入電壓，DADC 為量化后的數(shù)字電壓，Vref為芯片模擬轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓3.3v，因?yàn)镾TM32F103系列芯片內(nèi)部自帶ADC精度為12位，則2^12 =4096，所以數(shù)字轉(zhuǎn)換電壓范圍為0-4095。

Vin = （DADC * Vref） / 4096 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

系統(tǒng)雙通道采集配置了通道1（PA1）、通道2（PA2） 引腳為模擬信號(hào)輸入端口，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RV1、RV2上電阻的大小，改變輸入兩個(gè)通道的電壓值，每個(gè)通道分別放置了一個(gè)虛擬電壓表，實(shí)時(shí)測量輸入信號(hào)電壓值，通過STM32程序轉(zhuǎn)換，在LCD1602上顯示CH1以及CH2的電壓信息。具體模擬信號(hào)采集量化結(jié)果，如表格1所示。

系統(tǒng)轉(zhuǎn)換結(jié)果：實(shí)驗(yàn)可得，實(shí)際輸入電壓和芯片轉(zhuǎn)換顯示在LCD1602上的電壓一致，說明系統(tǒng)仿真以及程序邏輯滿足設(shè)計(jì)需求。整個(gè)系統(tǒng)從輸入到輸出，結(jié)構(gòu)清晰，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果一目了然，使學(xué)生通俗易懂、印象深刻。

3.2 實(shí)驗(yàn)拓展

由于STM32f103系列內(nèi)部自帶3個(gè)ADC，每個(gè)ADC最多有16個(gè)外部通道，所以給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來了多樣化結(jié)合Protues仿真軟件的靈活性，可以拓展出很多貼合實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，如表2所示。通過貼合實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生思考如何用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際生活問題。真正的做到學(xué)有所用，進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，以及創(chuàng)新思維。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，在《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程中采用Protues軟件輔助教學(xué)，使得軟件編程和硬件系統(tǒng)仿真緊密聯(lián)系在一起，靈活操作性很強(qiáng)，在時(shí)間、空間上打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)箱固定模式的束縛，結(jié)合生活實(shí)際設(shè)計(jì)多元化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分激發(fā)了學(xué)生獨(dú)立思考、自主設(shè)計(jì)的能力。有效地提高了課程教學(xué)效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-05-12

基金項(xiàng)目：國家新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（E-DZYQ20201426）;2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2021JGA328）;梧州學(xué)院校級(jí)教育教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目（Wyjg2019B012、Wyjg2019A087）

作者簡介：甘輝（1988—），男，廣西南寧人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砑皺C(jī)器智能;通信作者：呂美妮（1991—），女，廣西貴港人，助教，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理。