單片機虛擬試驗箱設(shè)計與研究

單片機是一門實踐性很強的學(xué)科，目前單片機的課堂及實驗教學(xué)中存在諸多問題。一方面，實驗內(nèi)容和實驗形式要根據(jù)院校不同年級學(xué)生能力不斷更新，不能以不變應(yīng)萬變；另一方面實驗所需的軟硬件設(shè)備和經(jīng)費的保障壓力越來越大，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(yǎng)。
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驗室[4-5]，讓學(xué)生通過Proteus軟件自行去設(shè)計實驗電路圖并完成實驗。這種方法自然能大大提高學(xué)生的實踐動手能力，但對于民辦本?？萍墑e的院校學(xué)生來說，由于他們的基礎(chǔ)和理解力相對薄弱等因素，剛開始接觸單片機很難自行進行電路設(shè)計并完成實驗。
因此，結(jié)合我院電子系現(xiàn)有的實際教學(xué)情況，本文設(shè)計開發(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(chǔ)實驗內(nèi)容，并可以解決傳統(tǒng)真實試驗箱諸多弊端，而且學(xué)生可以在網(wǎng)站下載該試驗箱進行實驗操作，從而極大地增強了學(xué)生做實驗的便利性，也給學(xué)生提供了一個良好的開發(fā)性實驗平臺。
1 Proteus軟件簡介
Proteus 是英國Lab center 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，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(tǒng)上，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路實驗平臺。
　 利用計算機、KEIL C51仿真器和Proteus軟件可創(chuàng)建一個可視化虛擬單片機類實驗室, 通過操作這些虛擬的實驗儀器或設(shè)備, 完成各種驗證性、設(shè)計性和綜合性實驗。利用仿真技術(shù)達到與真實效果相一致的教學(xué)要求和目標(biāo)，從而在不增加硬件投入的基礎(chǔ)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(diào)試時, 關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(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, 解決了實驗與工程應(yīng)用脫節(jié)的問題。
2 虛擬實驗箱特點
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驗室的優(yōu)點之外，還具備以下典型優(yōu)勢：
(1) 給教學(xué)設(shè)計過程帶來了很大的靈活性，有利于教學(xué)模式的革新。教師可以根據(jù)形勢的發(fā)展，無須資金投入就可以在虛擬試驗箱中增減反映新技術(shù)新成果的新實驗內(nèi)容。
(2) 試驗箱掛網(wǎng)，打破空間和時間的限制。學(xué)生可以零成本隨時隨地使用該試驗箱，只要學(xué)生能夠上網(wǎng)，學(xué)生便可以在網(wǎng)上下載該試驗箱進行實驗練習(xí)與設(shè)計。
(3) 可以構(gòu)建開發(fā)性的教學(xué)環(huán)境 ，有助于學(xué)生進行開發(fā)性實驗。學(xué)生可以在沒有實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(diào)試工作，幫助學(xué)生提高工程應(yīng)用能力。
但是，虛擬試驗箱可能使學(xué)生淡化對基本技能訓(xùn)練的重視程度，忽視規(guī)范掌握儀器操作，減少學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事件的機會、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，在實際的教學(xué)過程中要加強虛實的相互結(jié)合，采用虛實互補的原則安排教學(xué)，并加強教師的實驗指導(dǎo)作用。
3 基于Proteus的單片機虛擬試驗箱的設(shè)計
單片機虛擬試驗箱的設(shè)計應(yīng)根據(jù)學(xué)生實際能力的水平制定相關(guān)實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容要在滿足單片機基礎(chǔ)教學(xué)基礎(chǔ)上簡單易懂、從易到難、循序漸進、環(huán)環(huán)相扣，使學(xué)生能通過虛擬單片機試驗箱很好地掌握單片機原理，并學(xué)會單片機外圍系統(tǒng)擴展及接口電路的設(shè)計和基礎(chǔ)應(yīng)用。
根據(jù)本院某年級情況,現(xiàn)使用Proteus設(shè)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(chǔ)及綜合實驗內(nèi)容。

3.1 基礎(chǔ)實驗
(1) 點亮一個發(fā)光管;
　 (2) 流水燈設(shè)計、蜂鳴器發(fā)聲、繼電器控制;
　 (3) 數(shù)碼管的動、靜態(tài)顯示;
　 (4) 獨立鍵盤、矩陣鍵盤的檢測原理及實現(xiàn);
　 (5) 1602液晶顯示;
　 (6) DA、AD的工作原理及實現(xiàn);
　 (7) 串口通訊原理及RS232接口的使用;
　 (8) I²C總線擴展存儲器AT24C1024芯片。