孫萬(wàn)麟，楊蓮紅，宋莉莉

(昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉 831100)

單片機(jī)課程是一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，大多數(shù)大專、高職機(jī)電類院校開(kāi)設(shè)的單片機(jī)課程都輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)多使用實(shí)驗(yàn)箱。因?qū)嶒?yàn)箱硬件條件所限，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)主要是一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱限制了學(xué)生的實(shí)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(jī)開(kāi)發(fā)板若要進(jìn)行單步調(diào)試程序，必須配置單片機(jī)硬件仿真器。鑒于這些問(wèn)題，筆者利用多種軟件聯(lián)合仿真技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)利用多媒體電子教室輔助的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與硬件幾乎無(wú)差別的軟件仿真實(shí)踐教學(xué)。

1 Keil軟件

Keil[1]是目前最流行、使用最廣泛的開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)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(jiǎn)便的Windows工作界面，如今已經(jīng)成為單片機(jī)非常重要的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，受到越來(lái)越多軟件開(kāi)發(fā)工程師的青睞。

Keil最新版本是Keil C51 μVision4，它既能進(jìn)行純軟件仿真，也能使用硬件仿真器搭接單片機(jī)硬件系統(tǒng)，當(dāng)仿真器中載入項(xiàng)目程序后進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。利用Keil C51 μVision4內(nèi)嵌模塊Keil Monitor-51，還能在沒(méi)有額外硬件仿真器的條件下搭接單片機(jī)硬件系統(tǒng)，對(duì)載入項(xiàng)目程序進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真?？梢哉f(shuō)，在教學(xué)中使用Keil軟件，就是站在單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具的最前沿。

2 Proteus

目前，單片機(jī)的軟件仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其中英國(guó)LabCenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的Proteus[2-4]仿真軟件是目前最好的單片機(jī)及外圍器件的仿真工具。Proteus是一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，具有Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)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(gè)元器件庫(kù),元器件多達(dá)計(jì)數(shù)千種。此外，對(duì)于元件庫(kù)中沒(méi)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(jì)數(shù)器、SPI調(diào)試器、IIC調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、點(diǎn)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(biāo)，盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

Proteus不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路及沒(méi)有單片機(jī)參與的其他電路的工作情況，而且還具有圖形動(dòng)態(tài)顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

利用Proteus仿真軟件，在沒(méi)有硬件的情況下，不僅可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的隨時(shí)性，而且可以將許多單片機(jī)實(shí)例仿真過(guò)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(qiáng)教學(xué)效果，是單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的先進(jìn)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(jī)—多學(xué)生機(jī)—學(xué)生”的實(shí)時(shí)交互環(huán)境，集網(wǎng)絡(luò)教室、多功能教室、語(yǔ)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(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向交流，充分利用多種教學(xué)媒體進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且能參與教學(xué)活動(dòng)，自己控制學(xué)習(xí)進(jìn)度。

隨著電腦處理能力的增強(qiáng)，多媒體電子教室得到了更快的發(fā)展，可以通過(guò)純軟件方式實(shí)現(xiàn)屏幕廣播、網(wǎng)絡(luò)影院等多媒體功能，并且在延時(shí)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(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室

本文綜合利用多媒體電子教室軟件、電路設(shè)計(jì)仿真軟件Proteus及單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)工具Keil，構(gòu)建了一個(gè)完整的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行仿真通信的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(dòng)時(shí)，將從TOOLS.INI文件中讀取配置信息，以更新開(kāi)發(fā)環(huán)境中的一些選擇項(xiàng)，而這里的聯(lián)合仿真需要將TOOLS.INI文件進(jìn)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(duì)選擇的“Proteus VSM Monitor-51 Diver”進(jìn)行設(shè)置。若Proteus與Keil安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，則選“Host”且地址為“127.0.0.1”，即回環(huán)通信，也就是計(jì)算機(jī)自身和自身的通信；如不是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，則填寫(xiě)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)仿真；“Port”一欄填寫(xiě)“8000”，一般保持其為默認(rèn)值；

(4) 打開(kāi)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(xiàng)目文件并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

(2) 在項(xiàng)目文件下添加編譯成功的源程序并生成單片機(jī)能夠識(shí)別的HEX文件。

(3) 運(yùn)行Proteus軟件，搭建相應(yīng)項(xiàng)目實(shí)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(shí)彈出一個(gè)對(duì)話框，選擇用Keil軟件生成的項(xiàng)目文件所對(duì)應(yīng)的HEX文件，就實(shí)現(xiàn)了HEX文件與原理圖的關(guān)聯(lián)及綁定。

(5) 點(diǎn)擊Proteus軟件的運(yùn)行按鈕，單片機(jī)就會(huì)按照加載的HEX文件進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)仿真。

以液晶顯示電路為例，運(yùn)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(jìn)行離線聯(lián)合仿真，其運(yùn)行結(jié)果如圖1所示。

圖1 液晶顯示運(yùn)行結(jié)果

由圖1可知，Keil和Proteus聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只需要配置一般的電腦、Keil和Proteus軟件就可以實(shí)現(xiàn)，可以很好地解決傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入多、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏靈活性、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備損耗大和維護(hù)工作量大等弊端[6-9]。與實(shí)驗(yàn)箱相比，仿真過(guò)程生動(dòng)直觀，操作靈活，容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，為單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

4.3 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室

本文構(gòu)建的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室[10-12]主要設(shè)備有：50臺(tái)學(xué)生機(jī)(排為2列、采用PXE無(wú)盤(pán)技術(shù)組網(wǎng)、須安裝Proteus與Keil軟件)、1臺(tái)服務(wù)器、1臺(tái)教師機(jī)(須安裝Proteus與Keil軟件)、組網(wǎng)設(shè)備(主要包括交換機(jī)、網(wǎng)線以及ADLS modem等)、投影機(jī)、分屏器、音響系統(tǒng)(2臺(tái)音箱呈對(duì)角線放置)以及大屏幕(前后各1個(gè))等，其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室布局示意圖

單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室以與校園網(wǎng)互聯(lián)的Proteus軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB板設(shè)計(jì)，都能夠?qū)崿F(xiàn)教師和學(xué)生全方位互動(dòng)教學(xué)，因而會(huì)大大提高實(shí)踐教學(xué)效果。當(dāng)然，初學(xué)者也可以通過(guò)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(shí)驗(yàn)。

要完成一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，首先要通過(guò)Proteus繪制單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板電路圖，這能幫助學(xué)生深刻理解單片機(jī)各引腳的功能、單片機(jī)內(nèi)部硬件資源的分配以及單片機(jī)各引腳與外部硬件電路的連接。然后，需要使用Keil編寫(xiě)及調(diào)試控制程序代碼，再對(duì)Keil 和Proteus進(jìn)行聯(lián)調(diào)?？梢圆捎脝尾秸{(diào)試程序，這時(shí)可以實(shí)時(shí)觀察到單片機(jī)程序運(yùn)行的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)與硬件幾乎無(wú)差別的軟件仿真，從而提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

由于是軟件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生思維大可不被實(shí)驗(yàn)箱硬件電路所局限，不僅能開(kāi)拓學(xué)生的視野和方便學(xué)生后期對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行靈活調(diào)整，而且還能通過(guò)簡(jiǎn)便的操作實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路模塊的移植，而這會(huì)為C51或AVR單片機(jī)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。除此之外，在教師的教學(xué)科研項(xiàng)目、學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新項(xiàng)目以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中，先進(jìn)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(jì)的成功率，而且也會(huì)減少電子元器件的浪費(fèi)[13-14]。

5 結(jié)束語(yǔ)

在單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以使用Keil作為軟件調(diào)試平臺(tái)，以Proteus作為硬件仿真和調(diào)試平臺(tái)，不需要任何硬件就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，就像使用硬件一樣。單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室不但縮減了理工科單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中采購(gòu)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱和仿真器、更新實(shí)驗(yàn)電路板以及設(shè)備維護(hù)修理的費(fèi)用；還實(shí)現(xiàn)了師生全方位互動(dòng)實(shí)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(jī)實(shí)踐教學(xué)的效果。

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