單片機虛擬實(shí)驗室的建立

　　摘要：單片機應用技術(shù)所涉及到的實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節比較多，而且硬件投入比較大。在具體的工程實(shí)踐中，如果因為方案有誤而進(jìn)行相應的開(kāi)發(fā)設計，會(huì )浪費較多的時(shí)間和經(jīng)費。本文以學(xué)校單片機課程的實(shí)驗教學(xué)為背景，較為全面地闡述采用仿真實(shí)驗的方法。

　　關(guān)鍵詞：proteus軟件 單片機 仿真 虛擬實(shí)驗室

引 言

　　單片機課程是機電、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要課程，可以充分體現學(xué)生利用已學(xué)知識解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。由于該學(xué)科是多基礎、多理論的實(shí)踐性學(xué)科，在教學(xué)過(guò)程中必須軟件硬件結合，因此有學(xué)生感到難學(xué)，教師感到難教這樣的尷尬。

　　現代科技的發(fā)展，促進(jìn)了計算機技術(shù)在軟件和硬件上的飛速發(fā)展，利用計算機軟件的仿真技術(shù)，可以充分地仿真諸如電路的工作等實(shí)際的工程問(wèn)題。作者無(wú)意中找到一款軟件Proteus，解決了許多的問(wèn)題，而單片機虛擬實(shí)驗室也是以該軟件為核心建立起來(lái)的。

1 Proteus介紹

　　Proteus與其它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)有單片機參與的其它電路的工作情況。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，是彌補了實(shí)驗和工程應用間脫節的矛盾和現象。

(1)proteus的工作過(guò)程

　　運行proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過(guò)工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置，元件參數設置，元器件間連線(xiàn)，編寫(xiě)程序；在source菜單的Define code generation tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過(guò)debug菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。

(2)Proteus軟件所提供的元件資源

　　Proteus 軟件所提供了30多個(gè)元件庫，數千種元件。元件涉及到數字和模擬、交流和直流等，具體情況如表1所列。
　　　　　　　　
(3)Proteus軟件所提供的儀表資源

　　對于一個(gè)仿真軟件或實(shí)驗室，測試的儀器儀表的數量、類(lèi)型和質(zhì)量，是衡量實(shí)驗室是否合格的一個(gè)關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類(lèi)儀表使用數量的問(wèn)題，其提供的儀表如表2所列。

　　除了表2所列的測試儀表外，Proteus還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線(xiàn)路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用與示波器相似但功能更多。圖形顯示功能如表3所列。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　
(4)Proteus軟件所提供的調試手段

　　Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號，如表4所列。
　　　　　

　　對于單片機硬件電路和軟件的調試，Proteus 提供了兩種方法：一種是系統總體執行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執行情況。

　　對于總體執行效果的調試方法，只需要執行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動(dòng)執行，用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統的運行；或用debug菜單下的stop animation 菜單項或shift-break組合鍵停止系統的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進(jìn)行。

　　對于軟件的分步調試，應先執行debug菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時(shí)可以選擇step over 、step into 和 step out命令執行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11)，執行的效果是單句執行、進(jìn)入子程序執行和跳出子程序執行。在執行了start / restart debuging命令后，在debug菜單的下面要出現仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統資源等，可供調試時(shí)分析和查看。

2 實(shí)驗的組織

　　在單片機的理論教學(xué)和實(shí)驗中，所涉及到的內容包括了四方面，即單片機系統資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結合的應用系統。因此教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，應該充分考慮課程的特點(diǎn)并作合理的模塊劃分，在每次實(shí)驗課程前作適當的準備工作，以使教學(xué)任務(wù)能集中和突出。以下例子中所涉及到的單片機均為51系列。

(1)系統資源的實(shí)驗教學(xué)

　　任何一種單片機均提供了一定的系統資源。對于51系列單片機來(lái)講，其所提供的資源是以寄存器和存儲器的方式體現出來(lái)的。對于寄存器內容的查看，可以采用多種可以模擬仿真51單片機的軟件來(lái)實(shí)現。對于Proteus 軟件來(lái)講，可以執行在debug菜單下registers菜單項命令打開(kāi)相應的窗口。對于系統內部存儲器的查看，同樣是執行debug 菜單下的 internal memory 菜單項命令打開(kāi)相應的窗口。

(2)軟件技術(shù)

　　在軟件技術(shù)的實(shí)驗中所涉及到的內容主要包括對語(yǔ)言中具體語(yǔ)句的執行效果驗證、算法的具體實(shí)現、程序中語(yǔ)法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內容。對于純軟件的實(shí)驗教學(xué)內容，教師在實(shí)驗設置時(shí)應充分考慮到學(xué)生的能力并作好具體的準備工作，以達到預期的教學(xué)目的。

　　例如，對于兩個(gè)16位二進(jìn)制數的乘法運算R4R5