單片機虛擬實驗室的建立

　　摘要：單片機應用技術(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行相應的開發(fā)設計，會浪費較多的時間和經(jīng)費。本文以學校單片機課程的實驗教學為背景，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 仿真 虛擬實驗室

引 言

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

　　現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進了計算機技術(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工具進行。

　　對于軟件的分步調(diào)試，應先執(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

　　在單片機的理論教學和實驗中，所涉及到的內(nèi)容包括了四方面，即單片機系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結(jié)合的應用系統(tǒng)。因此教師在進行教學時，應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?shù)臏蕚涔ぷ?，以使教學任務能集中和突出。以下例子中所涉及到的單片機均為51系列。

(1)系統(tǒng)資源的實驗教學

　　任何一種單片機均提供了一定的系統(tǒng)資源。對于51系列單片機來講，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內(nèi)容，教師在實驗設置時應充分考慮到學生的能力并作好具體的準備工作，以達到預期的教學目的。

　　例如，對于兩個16位二進制數(shù)的乘法運算R4R5