于海峰

摘要：隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)訓(xùn)設(shè)備淘汰很快，學(xué)生在使用過程中由于不當(dāng)操作也容易損壞設(shè)備，導(dǎo)致常出現(xiàn)故障甚至老化的問題，使得實(shí)訓(xùn)很難開展，要解決此類問題需要更新甚至是重建實(shí)驗室。微控制器技術(shù)與應(yīng)用是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，目前微控制器的課堂及實(shí)驗教學(xué)中存在諸多問題，課堂教學(xué)大部分以理論教學(xué)為主，實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)較少，使得學(xué)生平時在學(xué)習(xí)過程中遇到很多困難而逐漸對課程失去興趣。

關(guān)鍵詞：微控制器;虛擬實(shí)驗室;虛擬仿真

引言

微處理器內(nèi)核運(yùn)行過程一直是學(xué)生在學(xué)習(xí)微控制器原理相關(guān)知識過程中的難點(diǎn)。通過開發(fā)微控制器的相關(guān)實(shí)驗，讓學(xué)生直接能夠觀測到微控制器內(nèi)部的運(yùn)行過程和運(yùn)行機(jī)制，能夠極大提高學(xué)生對微控制器的學(xué)習(xí)興趣和動力，同時能夠讓學(xué)生理解微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。然而由于微控制器內(nèi)部的運(yùn)行過程一般難以直接進(jìn)行觀測，而且也沒有很好的工具或者環(huán)境能夠時時地觀測微控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程。

1概述

微控制器的執(zhí)行過程一直是一個非常抽象的知識點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)微控制器相關(guān)內(nèi)容的時候一直缺乏很好的環(huán)境和工具對微控制器過程進(jìn)行深入的理解和研究。這極大地阻礙了學(xué)生對微控制器相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣和動力，更缺乏相應(yīng)的實(shí)驗環(huán)境和平臺，讓學(xué)生能夠?qū)ξ⒖刂破鞯膱?zhí)行過程開展更為深入的實(shí)驗和分析工作。

2基于Proteus的微控制器虛擬仿真實(shí)驗室

2.1虛擬仿真實(shí)驗室

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)是高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重要組成部分，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗教學(xué)資源為核心，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，是專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室依托多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建仿真的虛擬實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗對象，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗不具備或難完成任務(wù)的教學(xué)效果。

2.2Proteus實(shí)驗室概念

Proteus是一個集模擬電路、數(shù)字電路、A/D混合電路以及多種單片機(jī)系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計和仿真平臺，是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。很好的解決了微控制器及外圍電路的設(shè)計以及協(xié)同仿真的問題，可以在沒有實(shí)際硬件的條件下，利用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)微控制器軟件和硬件同步仿真。Proteus軟件的功能在于它的電路仿真是互動的，針對微處理器的應(yīng)用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件代碼級的調(diào)試，還可以直接實(shí)時動態(tài)的模擬按鈕、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測量。

2.3微控制器虛擬仿真實(shí)驗室平臺架構(gòu)

虛擬實(shí)驗室建設(shè)設(shè)計基于校園網(wǎng)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及服務(wù)器部署，以教室和學(xué)生宿舍虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺的建設(shè)內(nèi)容和目標(biāo)，提出分布式虛擬仿真運(yùn)行支撐體系結(jié)構(gòu)。Proteus虛擬實(shí)驗室基于校園內(nèi)部局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)條件要求10M以上因特網(wǎng)訪問帶寬，同時可以滿足60個用戶在線實(shí)驗，采用用戶名的方式來控制終端，當(dāng)60個用戶同時在線時，后登人用戶收到當(dāng)前用戶已滿的提示，實(shí)訓(xùn)機(jī)操作系統(tǒng)以windowXP/7/8/10為主，用戶還需安裝IE瀏覽器，以及安裝KEIL和PROLEUS軟件，服務(wù)器可以提供軟件下載服務(wù)，學(xué)生可以自行下載。

3微控制器運(yùn)行過程可視化研究

微控制器運(yùn)行過程的可視化研究主要研究如何將運(yùn)行過程的信息進(jìn)行采集。并將采集到的信息加以輸出。由于目前微控制器在設(shè)計上并不支持用戶直觀的觀測到微控制器的運(yùn)行過程，也沒有相應(yīng)的接口供用戶進(jìn)行二次開發(fā)。因此微控制器運(yùn)行過程，對用戶來講是一個黑盒。為了觀測和研究微控制器的運(yùn)行過程，首先要建立虛擬的仿真平臺，在仿真環(huán)境下將微控制器的各種硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。然后當(dāng)微控制器加載了目標(biāo)程序之后，對目標(biāo)程序的運(yùn)行過程進(jìn)行動態(tài)模擬和跟蹤，并對全過程實(shí)行信息的采集，以實(shí)現(xiàn)對微控制器運(yùn)行過程的原始信息的獲取。微控制器在運(yùn)行過程中，所有的狀態(tài)信息主要表現(xiàn)在計算器，10端口，內(nèi)存等三個部分。因此對微控制器進(jìn)行模擬的時候需要分別模擬微控制器內(nèi)部的計算器，IO端口和內(nèi)存信息變化過程。在建立虛擬環(huán)境微控制器執(zhí)行過程的時候，虛擬環(huán)境一般會模擬微控制器內(nèi)部的所有硬件結(jié)構(gòu)，包括計算機(jī)，IO端口和內(nèi)存。因此，在虛擬環(huán)境當(dāng)中，能夠準(zhǔn)確得到微控制器運(yùn)行過程中這三類信息的變化過程。能夠通過直觀的可視化界面進(jìn)行認(rèn)識，因此在獲取了微控制器在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的各類信息之后，需要設(shè)計相應(yīng)的可視化顯示程序，將采集到的各種信息輸出來，即所有的信息需要從虛擬環(huán)境中映射到外部處于控制功能的平臺，即處于圖一中間位置的微處理器嵌入式平臺，在該平臺中要開辟一段存儲區(qū)域?qū)μ摂M化運(yùn)行環(huán)境中目標(biāo)微處理器的相關(guān)計算器，10端口，和內(nèi)存信息進(jìn)行存儲。然后根據(jù)所存儲的內(nèi)容和種類不同，由可視化實(shí)驗平臺的相關(guān)顯示設(shè)備進(jìn)行輸出示。

4虛擬仿真實(shí)驗室的教學(xué)效果

本文設(shè)計的堆棧可視化實(shí)現(xiàn)模塊，采用的是基于數(shù)碼管陣列的形式拼接顯示。由于每一個數(shù)碼管陣列所能夠顯示的行和列數(shù)目是有限的。為了能夠?qū)Χ褩Ｖ械臄?shù)據(jù)進(jìn)行完整的表示，構(gòu)建了一個數(shù)碼管陣列，數(shù)碼管陣列當(dāng)中的每一行代表堆棧當(dāng)中一行的數(shù)據(jù)。在數(shù)碼管的顯示區(qū)域內(nèi)，處于有效數(shù)據(jù)的最頂端代表的是堆棧的棧頂，數(shù)碼管對底端的數(shù)據(jù)代表的是堆棧棧底的數(shù)據(jù)。當(dāng)微控制器內(nèi)部程序處于運(yùn)行狀態(tài)時，在執(zhí)行程序調(diào)用或者中斷等過程時，都會涉及到堆棧的壓棧和出棧等操作。通過基于數(shù)碼管陣列的可視化實(shí)現(xiàn)，可以讓用戶清楚地看到微控制器內(nèi)部堆棧增長和退去的和過程，也能夠看到當(dāng)前堆棧當(dāng)中所存儲的所有數(shù)據(jù)，而且助于用戶理解微控制器中程序的運(yùn)行過程。微控制器虛擬仿真實(shí)驗室是給學(xué)生提供了一個虛擬的單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)實(shí)驗室，單片機(jī)實(shí)驗臺、實(shí)驗箱、儀器儀表與真實(shí)實(shí)驗環(huán)境相同，克服儀器設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗場地、實(shí)驗時間上的限制，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬實(shí)驗室，給學(xué)生提供自我學(xué)習(xí)的平臺。適合多樣化實(shí)驗，使用實(shí)時仿真的方式為實(shí)驗、調(diào)試創(chuàng)造安全的環(huán)境，可減少故障試驗、誤操作帶來的損失;虛擬實(shí)驗室具有“實(shí)驗、實(shí)訓(xùn)、設(shè)計”功能，為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力提供了條件和技術(shù)保障，滿足了課程實(shí)踐的教學(xué)需要;運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，降低了學(xué)生的實(shí)驗練習(xí)成本，交互式的操作模式促進(jìn)了老師與學(xué)生的教學(xué)互動，強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗操作流程的記憶，有利于改善教學(xué)效果;采用基于工作過程的課程教學(xué)模式，以項目為載體進(jìn)行專業(yè)知識的教學(xué)活動，學(xué)生對學(xué)習(xí)專業(yè)知識的信心增強(qiáng)，學(xué)習(xí)興趣提高;增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可提高學(xué)生的動手能力，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，為電子競賽培訓(xùn)積累經(jīng)驗。

結(jié)語

微控制器執(zhí)行平臺能夠為學(xué)生提供一個功能強(qiáng)大的可視化環(huán)境，使得用戶能夠?qū)ξ⒖刂破鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)以及程序的執(zhí)行過程做到實(shí)時的準(zhǔn)確的監(jiān)控，為用戶理解微控制器的執(zhí)行過程分析平臺。在此基礎(chǔ)在上，用戶可以通過此平臺進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)對微控制器執(zhí)行過程的相關(guān)控制和管理，為用戶開設(shè)更加復(fù)雜的相關(guān)微控制器執(zhí)行處理機(jī)制的實(shí)驗提供硬件支撐。