基于虛擬仿真平臺的“單片機應用技術”課程教學改革探索與實踐

郭 慶

(遼寧省交通高等專科學校 機械電子工程系,遼寧 沈陽 110122)

0 引言

對全球而言,2020庚子年注定是一個被載入史冊的特殊之年。面對突如其來的新冠肺炎疫情,各高職院校積極響應教育部的號召,開展“停課不停教、停課不停學”的在線教學,保證了疫情防控期間的教學進度和教學質量。在線教學不僅打破了傳統線下教學的時空限制,同時也改變了教師的傳統教學觀念。“單片機應用技術”在線課程的順利開展,不僅突顯了虛擬仿真教學平臺的重要性,也為今后的課程改革提供了新思路。

1 “單片機應用技術”課程教學現狀

“單片機應用技術”是一門實踐性、綜合性和應用性很強的課程,其主要教學模式是“先理論,后實驗”,這種教學模式注定了在理論和實踐兩個教學環節都存在一些不同程度的問題。

(1)理論教學重點強調對原理性知識的理解和掌握,教師通過PPT課件和板書講解單片機的片內資源、IO接口電路和C語言程序設計等內容,涉及很多較抽象的理論知識,學生感覺如同讀“天書”一般,很難理解,逐漸喪失了學習的興趣和信心。

(2)理論教學和實踐教學分開進行,導致教學環節上存在脫節。學生在上完幾次理論課之后才做實驗,基本上已經忘記前面學過的理論知識,導致學生在實踐操作時又無從下手。而實驗箱的自身成本過高,學校采購的實驗箱數量有限,仍存在多名同學使用同一臺實驗箱的情況。又由于時間和場地等問題,學生課后難得有機會動手實踐。因此實驗效果不佳,學生的編程設計能力很難得到訓練與提高。

(3)大多數職業院校采用的是廠家生產的成品實驗箱,其電路的走線、整體規劃布局已經完成,學生很難參與其中的電路設計。同時,由于受學時等客觀因素的限制,開設的實驗也是以驗證性為主,缺乏設計性、綜合性和創新性。實驗過程中,學生只是按照老師演示操作步驟和實驗指導書完成原理知識的驗證,經常還會出現元器件損壞、線路連接不良等問題,導致學生無法順利完成實驗,這就嚴重制約了學生的實踐動手操作能力和創新能力[1]。

(4)目前市面上單片機的種類繁多,技術更新和發展迅速,學校即使采用了現階段頂級的單片機實驗箱,其有限的資源也始終無法跟上技術發展的步伐,單片機教學實驗設備的更新換代問題也將成為學校資金重復投入的一大問題。

針對上述問題,結合“單片機應用技術”課程特點,利用Proteus和Keil軟件搭建的虛擬仿真平臺輔助理論教學和實踐教學。教師也可以利用單片機虛擬仿真實驗平臺開展教學改革,改進傳統的單片機授課模式,激發學生的實踐創新能力。

2 Proteus虛擬仿真平臺在單片機理論教學中的應用

Proteus仿真軟件是一款非常優秀的EDA工具軟件,也是單片機課堂教學的先進助手。由于Proteus提供了實驗室無法比擬的大量元器件庫,提供了修改電路設計的靈活性,提供了實驗室在數量、質量上難以比擬的虛擬儀器、儀表,所以它的元器件、連接線路等可以和傳統的單片機實驗硬件高度對應,在相當程度上它可以替代傳統的單片機實驗室。該軟件在新冠疫情期間的線上教學和返校后的線下理論教學中的應用,對學生的動手實踐起到很好的輔助作用。

近兩年,隨著新冠疫情的反復變化,Protues+Keil虛擬仿真平臺在單片機理論教學和實踐教學中逐漸受到關注。使用者只需在計算機中安裝Proteus與Keil軟件,并稍做簡單的設置,即可完成虛擬仿真平臺的搭建。但大多數學校只是在實驗課上引入虛擬仿真平臺,先將實驗項目仿真實現后,利用開發板或實驗箱進行項目實施。這種方式并沒有解決理論知識和實踐操作須脫節的問題[2]。

因此,本專業將“單片機應用技術”課程做如下調整:在線上的教學過程中,只要學生有電腦就可以完成仿真操作,解決了沒有單片機實驗箱的學生無法實踐操作的問題。在線下的教學過程中,將單片機課程的理論教學場所從多媒體教室調整到計算機機房。在理論課程教學中深入分析單片機課程的理論知識點和基礎技能點,選取合適的模塊項目,精心設計一些典型的并且與外設功能相匹配的教學案例,從簡單到復雜,層層遞進、逐步深入。在理論課上學生每完成一個案例模塊就像玩闖關游戲一樣,大大地提升了學生的成就感。

在Proteus虛擬仿真平臺中,學生可以根據電路原理圖的設計和程序代碼編寫過程中出現的問題,按需更改電路原理圖和程序代碼,也可以借助示波器、邏輯分析儀等虛擬儀器對程序執行的過程和演示結果進行觀察分析,使抽象難懂的理論知識變得形象化、具體化[3]。

3 教學實例設計

下面以模擬汽車左右轉向燈控制應用為例,介紹采用Protues+Keil虛擬仿真平臺完成單片機虛擬仿真的詳細過程[4,5]。

3.1 設計要求

采用Protues仿真軟件模擬一個汽車左右轉向燈的控制系統。在課上播放汽車轉向燈的真實工作視頻,分析轉向燈工作要點,歸納總結電路的組成,為硬件電路設計做好準備。

3.2 硬件設計

在單片機最小系統電路的基礎上,再采用單片機的P0,P1,P2或P3任意兩個IO端口分別與LED和開關電路相連就完成硬件電路的設計。打開Proteus軟件,在豐富的電子元件庫中,通過關鍵字查詢添加相應的電子元件并進行連接,繪制硬件電路圖。Proteus仿真軟件搭建的電路原理圖能讓學生形象直觀地理解電路的硬件組成。

3.3 C語言程序設計

分析汽車轉向燈顯示狀態、P3口引腳狀態和駕駛員發出的命令三者的關系,如表1所示。

表1 汽車轉向燈顯示狀態、P3口引腳狀態和駕駛員發出的命令

P3.0引腳的狀態與左轉燈D1的亮滅狀態相對應,當P3.0引腳的狀態為1時,左轉燈D1熄滅;當P3.0引腳的狀態為0時,左轉燈D1閃爍。同樣P3.1引腳的狀態與右轉燈D2的亮滅狀態相對應。

在Keil軟件中輸入C語言源程序代碼,進行編譯、調試,最終生成單片機可以執行的HEX文件。C語言程序代碼如圖1所示。

圖1 C語言程序代碼

3.4 仿真調試

打開Proteus軟件,雙擊電路原理圖中的AT89C51單片機,加載可執行的HEX文件,點擊仿真按鈕中的play運行按鈕,撥動開關SW1和SW2即可模擬駕駛員發出左轉和右轉命令。通過仿真效果展示即可判斷系統硬件與軟件設計得是否正確。仿真效果如圖2所示。

圖2 硬件電路及仿真效果

4 結語

基于Proteus+Keil軟件的單片機虛擬仿真平臺在“單片機應用技術”理論教學環節的應用,使抽象知識形象化、具體化,化解了教學難點,有助于學生高效地掌握課堂所學理論知識,鞏固加深理論知識的記憶,縮短從理論知識到實際應用的過程,激發了學生的學習興趣,提高了學生的實踐創新能力。在后期的單片機課程設計和全國職業院校技能大賽中,發揮了非常好的輔助作用。