單片機虛擬試驗箱設計與研究

單片機是一門(mén)實(shí)踐性很強的學(xué)科，目前單片機的課堂及實(shí)驗教學(xué)中存在諸多問(wèn)題。一方面，實(shí)驗內容和實(shí)驗形式要根據院校不同年級學(xué)生能力不斷更新，不能以不變應萬(wàn)變；另一方面實(shí)驗所需的軟硬件設備和經(jīng)費的保障壓力越來(lái)越大，這在一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)生創(chuàng )新能力的培養。
在此之前很多相關(guān)論文中都提到使用Proteus軟件建立單片機虛擬實(shí)驗室[4-5]，讓學(xué)生通過(guò)Proteus軟件自行去設計實(shí)驗電路圖并完成實(shí)驗。這種方法自然能大大提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，但對于民辦本專(zhuān)科級別的院校學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于他們的基礎和理解力相對薄弱等因素，剛開(kāi)始接觸單片機很難自行進(jìn)行電路設計并完成實(shí)驗。
因此，結合我院電子系現有的實(shí)際教學(xué)情況，本文設計開(kāi)發(fā)了一套基于Proteus的虛擬試驗箱，該試驗箱不僅能夠完成單片機教學(xué)基礎實(shí)驗內容，并可以解決傳統真實(shí)試驗箱諸多弊端，而且學(xué)生可以在網(wǎng)站下載該試驗箱進(jìn)行實(shí)驗操作，從而極大地增強了學(xué)生做實(shí)驗的便利性，也給學(xué)生提供了一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)性實(shí)驗平臺。
1 Proteus軟件簡(jiǎn)介
Proteus 是英國Lab center 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能強大。它運行于Windows操作系統上，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路實(shí)驗平臺。
　 利用計算機、KEIL C51仿真器和Proteus軟件可創(chuàng )建一個(gè)可視化虛擬單片機類(lèi)實(shí)驗室, 通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗儀器或設備, 完成各種驗證性、設計性和綜合性實(shí)驗。利用仿真技術(shù)達到與真實(shí)效果相一致的教學(xué)要求和目標，從而在不增加硬件投入的基礎上, 提高學(xué)生的創(chuàng )新能力。
　 Proteus與其他單片機仿真軟件不同的是, 它不僅能仿真單片機CPU的工作情況, 也能仿真單片機外圍電路或沒(méi)有單片機參與的其他電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時(shí), 關(guān)心的不再是某些語(yǔ)句執行時(shí)單片機寄存器和存儲器內容的改變,而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過(guò)程和結果。對于這樣的仿真實(shí)驗, 從某種意義上講, 解決了實(shí)驗與工程應用脫節的問(wèn)題。
2 虛擬實(shí)驗箱特點(diǎn)
本虛擬試驗箱除了具備相關(guān)論文中提到的使用Proteus軟件建立單片機虛擬實(shí)驗室的優(yōu)點(diǎn)之外，還具備以下典型優(yōu)勢：
(1) 給教學(xué)設計過(guò)程帶來(lái)了很大的靈活性，有利于教學(xué)模式的革新。教師可以根據形勢的發(fā)展，無(wú)須資金投入就可以在虛擬試驗箱中增減反映新技術(shù)新成果的新實(shí)驗內容。
(2) 試驗箱掛網(wǎng)，打破空間和時(shí)間的限制。學(xué)生可以零成本隨時(shí)隨地使用該試驗箱，只要學(xué)生能夠上網(wǎng)，學(xué)生便可以在網(wǎng)上下載該試驗箱進(jìn)行實(shí)驗練習與設計。
(3) 可以構建開(kāi)發(fā)性的教學(xué)環(huán)境 ，有助于學(xué)生進(jìn)行開(kāi)發(fā)性實(shí)驗。學(xué)生可以在沒(méi)有實(shí)際硬件電路的情況下完成項目先期大量的驗證工作及大部分程序的編制及調試工作，幫助學(xué)生提高工程應用能力。
但是，虛擬試驗箱可能使學(xué)生淡化對基本技能訓練的重視程度，忽視規范掌握儀器操作，減少學(xué)生應對突發(fā)事件的機會(huì )、缺乏教學(xué)的藝術(shù)性等。因而，為了盡量避免上述弊端的發(fā)生，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中要加強虛實(shí)的相互結合，采用虛實(shí)互補的原則安排教學(xué)，并加強教師的實(shí)驗指導作用。
3 基于Proteus的單片機虛擬試驗箱的設計
單片機虛擬試驗箱的設計應根據學(xué)生實(shí)際能力的水平制定相關(guān)實(shí)驗內容。實(shí)驗內容要在滿(mǎn)足單片機基礎教學(xué)基礎上簡(jiǎn)單易懂、從易到難、循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，使學(xué)生能通過(guò)虛擬單片機試驗箱很好地掌握單片機原理，并學(xué)會(huì )單片機外圍系統擴展及接口電路的設計和基礎應用。
根據本院某年級情況,現使用Proteus設計如圖1所示的51單片機虛擬試驗箱，此試驗箱可完成如下基礎及綜合實(shí)驗內容。

3.1 基礎實(shí)驗
(1) 點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光管;
　 (2) 流水燈設計、蜂鳴器發(fā)聲、繼電器控制;
　 (3) 數碼管的動(dòng)、靜態(tài)顯示;
　 (4) 獨立鍵盤(pán)、矩陣鍵盤(pán)的檢測原理及實(shí)現;
　 (5) 1602液晶顯示;
　 (6) DA、AD的工作原理及實(shí)現;
　 (7) 串口通訊原理及RS232接口的使用;
　 (8) I²C總線(xiàn)擴展存儲器AT24C1024芯片。