單片機(jī)虛擬實驗室的建立

摘要：單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)所涉及到的實驗實踐環(huán)節(jié)比較多，而且硬件投入比較大。在具體的工程實踐中，如果因為方案有誤而進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)設(shè)計，會浪費較多的時間和經(jīng)費。本文以學(xué)校單片機(jī)課程的實驗教學(xué)為背景，較為全面地闡述采用仿真實驗的方法。

關(guān)鍵詞：proteus軟件 單片機(jī) 仿真 虛擬實驗室

引 言

　　單片機(jī)課程是機(jī)電、自動化等專業(yè)的一門重要課程，可以充分體現(xiàn)學(xué)生利用已學(xué)知識解決實際工程問題的能力。由于該學(xué)科是多基礎(chǔ)、多理論的實踐性學(xué)科，在教學(xué)過程中必須軟件硬件結(jié)合，因此有學(xué)生感到難學(xué)，教師感到難教這樣的尷尬。

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

1 Proteus介紹

　　Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)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程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。

(1)proteus的工作過程

　　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(shè)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(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；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(kuò)展名等項目；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug菜單的相應(yīng)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多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)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

　　對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇?，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題，其提供的儀表如表2所列。

　　除了表2所列的測試儀表外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，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(diào)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(shù)字信號，如表4所列。
　　　　　
　　對于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus 提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。

　　對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)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(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進(jìn)行。

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

2 實驗的組織

　　在單片機(jī)的理論教學(xué)和實驗中，所涉及到的內(nèi)容包括了四方面，即單片機(jī)系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。因此教師在進(jìn)行教學(xué)時，應(yīng)該充分考慮課程的特點并作合理的模塊劃分，在每次實驗課程前作適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)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(jī)均為51系列。

(1)系統(tǒng)資源的實驗教學(xué)

　　任何一種單片機(jī)均提供了一定的系統(tǒng)資源。對于51系列單片機(jī)來講，其所提供的資源是以寄存器和存儲器的方式體現(xiàn)出來的。對于寄存器內(nèi)容的查看，可以采用多種可以模擬仿真51單片機(jī)的軟件來實現(xiàn)。對于Proteus 軟件來講，可以執(zhí)行在debug菜單下registers菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。對于系統(tǒng)內(nèi)部存儲器的查看，同樣是執(zhí)行debug 菜單下的 internal memory 菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。

(2)軟件技術(shù)

　　在軟件技術(shù)的實驗中所涉及到的內(nèi)容主要包括對語言中具體語句的執(zhí)行效果驗證、算法的具體實現(xiàn)、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內(nèi)容。對于純軟件的實驗教學(xué)內(nèi)容，教師在實驗設(shè)置時應(yīng)充分考慮到學(xué)生的能力并作好具體的準(zhǔn)備工作，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

　　例如，對于兩個16位二進(jìn)制數(shù)的乘法運算R4R5×R6R7=R3R4R5R6R7的匯編語言實現(xiàn)。為了較為直觀地驗證程序執(zhí)行的正確性，教師在之前應(yīng)該設(shè)計一個硬件電路，能完成數(shù)據(jù)的輸入(帶顯示)和結(jié)果的輸出(顯示)，并設(shè)計主程序、bcd碼到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制碼到bcd碼的轉(zhuǎn)換、bcd碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換、顯示等程序的設(shè)計，學(xué)生只在實驗中進(jìn)行乘法運算的算法設(shè)計并作為子程序加入系統(tǒng)中即可。

(3)硬件接口電路

　　單片機(jī)的接口電路所涉及到的知識涵蓋了電子電路設(shè)計的相關(guān)領(lǐng)域，也涉及到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具體的工作需要。接口電路部分涉及到線路的連接、元器件的選擇、工作方式的設(shè)置、電路工作的穩(wěn)定性和可靠性、電路的空間需求等等許多方面的知識和內(nèi)容；但就學(xué)生實驗來講，所涉及到的并不需要這么全面。作為Proteus 仿真軟件，其仿真電路時所模擬的元件真實工作情況，和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的實際工作環(huán)境還是有一定的差別。因此只能根據(jù)教學(xué)的需要，讓學(xué)生自行設(shè)計電路并設(shè)置其工作方式。其實驗可以通過兩種方式組織實施，一是根據(jù)具體的要求，讓學(xué)生設(shè)計接口電路并編寫相應(yīng)的程序；一是根據(jù)程序的要求，設(shè)計單片機(jī)接口電路。

　　例如，對于鍵盤輸入和顯示(數(shù)碼管)接口電路的設(shè)計，可以采用比較多的方法來實現(xiàn)。選擇何種方法，與鍵盤中鍵的數(shù)量和數(shù)碼管的個數(shù)以及顯示的方式等都有關(guān)系。選擇一種采用幾種方法都能實現(xiàn)的鍵盤鍵數(shù)(如12個)和顯示位數(shù)(如4位或4位半)，提出具體的諸如必須預(yù)留的口地址、成本控制等要求，讓學(xué)生自行設(shè)計接口電路。當(dāng)然，對于如A/D轉(zhuǎn)換等接口電路的設(shè)計，教師應(yīng)該在事先設(shè)計出單片機(jī)電路的其它部分，并以模塊的方式進(jìn)行處理，給學(xué)生提供電路的接口信號。

(4)軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)

　　軟件和硬件的結(jié)合，就是一個單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)了。這一步的實驗可以在課程設(shè)計中以課題的方式提出來處理，也可以將其分解成不同的接口部分在接口電路的多次實驗中分次完成。在這一階段，硬件電路的設(shè)計已經(jīng)不是最為關(guān)鍵的了，而軟件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和運行才是實驗的主要內(nèi)容。因此可以以建議性的意見給出具體的硬件電路，并提出該電路所需要完成的具體工作，由學(xué)生進(jìn)行軟件的設(shè)計和調(diào)試。

(5)觀摩實驗

　　學(xué)生自行設(shè)計的硬件系統(tǒng)和軟件，一般存在著某方面的不足，當(dāng)給出了相應(yīng)的實驗設(shè)計任務(wù)后，學(xué)生就算能順利的完成，但其中所涉及到的有些方式方法并不能在自己的設(shè)計中充分領(lǐng)悟。Protues系統(tǒng)提供了相應(yīng)的一些范例，比如單片機(jī)系統(tǒng)中的計算器示例，當(dāng)教師講述了其中涉及到的所有(子)程序的功能并將其合理地組織在一起的時候，結(jié)合該系統(tǒng)的硬件，將對學(xué)生進(jìn)行程序的設(shè)計和系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法，產(chǎn)生比較大的影響。

3 用Proteus軟件虛擬單片機(jī)實驗的優(yōu)點

　　采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行虛擬單片機(jī)實驗，具有比較明顯的優(yōu)勢，如涉及到的實驗實習(xí)內(nèi)容全面、硬件投入少、學(xué)生可自行實驗、實驗過程中損耗小、與工程實踐最為接近等。當(dāng)然其存在的缺點也是有的。

(1)內(nèi)容全面

　　內(nèi)容全面包括其能實驗的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C51等語言的調(diào)試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型。對同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來搭建完成，因此采用Protues仿真軟件進(jìn)行實驗教學(xué)，克服了用單片機(jī)實驗教學(xué)板教學(xué)中硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實驗內(nèi)容固定等方面的局限性，可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)硬件投入少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯

　　對于傳統(tǒng)的采用單片機(jī)實驗教學(xué)板的教學(xué)實驗，由于硬件電路的固定，也就將單片機(jī)的CPU和具體的接口電路固定了下來。在單片機(jī)的實際教學(xué)中，如果要涉及到51系列，也要涉及到PIC16系列，那么為了教學(xué)必然要投入兩種單片機(jī)的實驗教學(xué)板；同時在教學(xué)過程中所涉及到的接口電路，也需要有較大的投入和儲備，以利于實驗的進(jìn)行和在實驗過程中元件損毀后的更換。Protues所提供的元件庫中，大部分可以直接用于接口電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。如果在實驗教學(xué)中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護(hù)來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進(jìn)行教學(xué)，其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢是比較明顯的。

(3)學(xué)生可自行實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力

　　實驗?zāi)芰蛯嶒炘O(shè)計能力的培養(yǎng)，是工科學(xué)生解決實際工程問題能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，忽視了學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對于實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，則很少涉及到。因此學(xué)生學(xué)習(xí)了理論，要想將其應(yīng)用到實際的工程實踐中，其難度是比較大的。還有，學(xué)生畢業(yè)后想對單片機(jī)控制技術(shù)或智能儀表等有較深的研究和學(xué)習(xí)，如果采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，則學(xué)生需要購置的設(shè)備比較多，增加了他們學(xué)習(xí)和研究的投入。采用仿真軟件后，學(xué)習(xí)的投入變得比較的小，而實際工程問題的研究，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進(jìn)行硬件的投入，這樣處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。

(4)實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題

　　在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，都涉及到因操作不當(dāng)而造成的元器件和儀器儀表的損毀，也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗。采用Protues仿真軟件進(jìn)行的實驗教學(xué)，則不存在上述的問題，其在實驗的過程中是比較安全的。

(5)與工程實踐最為接近，可以了解實際問題的解決過程

　　在進(jìn)行課程設(shè)計或進(jìn)行大實驗的時候，可以具體的在Protues中做一個工程項目，并將其最后移植到一個具體的硬件電路中，讓學(xué)生了解將仿真軟件和具體的工程實踐如何結(jié)合起來，利于學(xué)生對工程實踐過程的了解和學(xué)習(xí)。

(6)大量的范例，可供學(xué)生參考處理

　　在系統(tǒng)的設(shè)計時，存在對已有資源的借鑒和引用處理，而該仿真系統(tǒng)所提供的較多的比較完善的系統(tǒng)設(shè)計方法和設(shè)計范例，可供學(xué)生參考和借鑒。同時也可以在原設(shè)計上進(jìn)行修改處理。

(7)協(xié)作能力的培養(yǎng)和鍛煉

　　一個比較大的工程設(shè)計項目，是由一個開發(fā)小組協(xié)作完成的。了解和把握別人的設(shè)計意圖和思維模式，是團(tuán)結(jié)協(xié)作的基礎(chǔ)。在Proteus中進(jìn)行仿真實驗時，所涉及到的內(nèi)容并不全是學(xué)生獨立設(shè)計完成的，因此對于鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作意識，是有好處的。

4 一個具體的課程實踐

　　該實驗為對8051單片機(jī)外圍電路進(jìn)行寫數(shù)據(jù)仿真的電路。課程要求學(xué)生設(shè)計電路并提供仿真和驗證的方法。

(1)電 路

　　為了簡化電路，將單片機(jī)的時鐘電路直接用CLOCK信號處理；對于數(shù)據(jù)的寫入，采用邏輯分析的方法進(jìn)行，電路如圖1所示。
　
(2)驗證方法

　　邏輯仿真驗證程序執(zhí)行的正確性和電路工作的情況，可通過時序圖的方式進(jìn)行驗證，如圖2所示。
　　　　　
(3)程 序

　　對1234H單元寫入數(shù)據(jù)AAH，循環(huán)進(jìn)行。
ORG 0
loop1: MOV DPTR，#1234H
MOV A，#0AAH
MOVX @DPTR，A
MOVX A，@DPTR
JMP LOOP1
END