基于Proteus的微机与单片机原理比较教学研究.doc

基于Proteus的微机与单片机原理比较教学研究 高林，黄勇，徐建，方芳，郭黎，廖宇，朱黎 （湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000） 摘要：以电子专业微机原理和单片机原理课程为例，提出引入比较教学法和Proteus仿真软件，通过一个综合性实验，从电路结构、程序设计和仿真结果3方面进行对比和分析。最后以问卷调查形式说明比较教学能够增进学生对课程内容的理解，利用Proteus仿真软件能使课程变得更加生动和灵活，有利于培养科技创新人才。 关键词：新兴产业；人才培养；比较教学；proteus仿真软件；微机原理；单片机原理 基金项目：国家自然科学基金地区基金项目（61263030，61463014）；湖北民族学院教学研究重点项目（xxJY005,xxJYZ08）；湖北民族学院教学研究一般项目（xxJY008,xxJY033）。 第一作者简介：高林，男，讲师，研究方向为嵌入式技术与智能控制，glhust163.。 0引言 比较教学法是指在教学活动中将两个或两个以上的认知对象放在一定的条件下，按照同一标准进行对照比较，从而确定认知对象属性的同异、地位的主次、作用的大小、性能的优劣、问题的难易或认识的正误深浅，以达到辨识、了解和把握认知对象之目的的一种方法1。 在高校电子技术专业中，微机原理与接口技术课程是重要的专业基础课，单片机原理及应用课程则是应用型专业课。前者偏向于原理性的介绍，涉及的实验比较简单；而后者则偏向于应用性，涉及的实验较多。这两门课程的实验过程中使用的芯片及编程方式非常类似2-3，可见这两门课程适合进行比较教学，因为两个对象既有相同或相近的特性，同时又有相异的特性，这样的对象才是合适的比较对象4。为适应新兴产业人才培养方案中这两门课程的变化，首先对两门课程内容进行比较分析，然后引入Proteus仿真软件作为现代化教学手段，再通过一个综合性实验对比仿真来具体探讨两门课程的特点，最后通过问卷调查的形式检验教学效果，以求摸索出一条适应新兴产业发展需要的人才培养途径。 1教学内容比较 在新兴产业人才培养方案制订过程中，微机原理与接口技术课程原本先于单片机原理及应用课程一学期开设，现在变成在同一学期开设，而且两门课程在理论学时减少的同时，实验学时均有所增加，这样就给教师授课和学生学习增加了难度，又因为两门课程存在紧密的联系，所以利用比较教学法对课程内容进行比较分析，可得出两门课程之间存在以下3个主要的关联点。 1）两门课程的核心芯片不同。微机原理与接口技术课程的核心芯片是8086微处理器，单片机原理及应用课程的核心芯片则是51单片机。虽然核心芯片不同，但是它们与外部进行信息传递均采用数据总线、地址总线和控制总线的“三总线方式”，均存在引脚复用且需要外接地址锁存器，这些内容可在讲解时进行对比，便于学生理解。 2）两门课程的编程语言完全不同，前者是汇编语言，后者则采用C51语言。虽然前者是低级语言，后者是高级语言，看似不相关联，但通过对比学习能增进理解。例如汇编语言中关于堆栈以及进栈、出栈指令的知识，能帮助学生在学习C51语言时更好地理解函数的调用和返回以及函数的嵌套调用等内容。 3）两门课程的接口技术内容相似，均包含并口、串口、中断控制、定时器/计数器、D/A和A/D等。为避免教学内容重复，一般在前者授课中既讲工作原理又讲接口电路，而后者中对应部分只讲接口电路，不讲或少讲工作原理。例如，两门课程在讲到并口部分时，前者既要讲解可编程并口芯片8255A的工作原理，还要讲解8086与8255A的连接电路和编程；后者则重点讲解51单片机扩展并口电路和编程，并口工作原理则略去不讲。 2比较教学手段 虽然已经对两门课程的教学内容进行了比较分析，但如果仍然采用传统的教学方式，并不能有效提升教学效果。在进行理论教学时，通常采用“板书+课件”的教学方式，这样会把接口电路、程序及运行结果这三者割裂开来，无法检验接口电路是否可行、所编程序是否有效以及程序在电路中的运行结果是否正确。在进行实验教学时，通常采用“电脑+实验箱”的教学方式，也存在实验设备昂贵、容易损坏、实验电路固定、设计内容少等问题，导致学生无法了解接口电路工作原理，从而缺乏电路分析和设计能力。 能否找到同时提升这两门课程教学效果的手段？解决的方法就是在教学中引入Proteus仿真软件。Proteus仿真软件是一款包含大量系统资源、丰富硬件接口电路，具有强大调试功能和软硬件相结合的仿真系统5。Proteus强大的设计与仿真功能被广泛应用在数字电路、模拟电路、单片机、嵌入式系统等多门课程的教学和实验中6。 引入Proteus仿真软件之后，在两门课程的理论课上，可以预先画出接口电路的原理图，然后用相应的编程软件编写程序并加载到对应的核心芯片上，最后将运行结果演示给学生看，这样使课堂变得直观、生动，还能将接口电路、程序及运行结果有机结合起来。另外，在两门课程的实验课上，由于该软件拥有实验箱中几乎所有的元器件和虚拟仪器、仪表，能够让学生在实验箱中完成硬件实验的同时，也能在该软件中对实验电路进行仿真，从而实现与硬件实验完全相同的效果。在此基础上，该软件还拥有很多实验箱中没有的元器件，能让学生进一步修改电路，甚至设计出多种功能的实际应用电路进行仿真，从而锻炼学生电路系统设计的能力。 3比较教学实例 以一个综合性实验为例，从电路、程序和仿真3个方面来对比探讨两门课程的特点。该实验名称是“PC机通过串口控制数字时钟”，要求在以8086为核心的微机控制系统和以AT89C52（一种51单片机）为核心的单片机控制系统中均实现这样的功能当PC机发送数字1时，数字时钟运行；当发送数字0时，数字时钟暂停。 3.1电路结构 该实验电路结构框图如图1所示，图中上面虚线框中是以8086为核心的微机控制系统，下面虚线框中是以AT89C52为核心的单片机控制系统。从电路结构来看，前者更为复杂，后者相对简单。这是因为8086是微处理器，并口、串口、中断、定时器/计数器等功能均需要外部扩展；而AT89C52是单片机，这些功能大多数内部就有。例如8086内部没有串口，需要通过串口扩展芯片8251A实现串行通信，再经由RS-232连接到PC机；而AT89C52则可以通过自身串口经由RS-232连接到PC机。类似的情况还有8086需要通过中断控制器8259A来管理中断，通过计数器/定时器8253控制串口波特率，而AT89C52内部具有中断控制系统负责管理中断，其内部定时器/计数器可作为串口波特率发生器。 3.2程序设计 8086主程序和AT89C52主函数流程如图2所示，图中左边是8086主程序流程，右边是AT89C52主函数流程。从程序设计来看，8086的控制重点是串行通信接口芯片8251A和中断控制器8259A，其中包含大量访问外部接口的程序；而AT89C52的控制对象主要是其内部的两个定时器/计数器和相应的中断，访问外部接口的程序相对较少。例如8086需要不断查询8251A状态字的RxRDY（串行接收准备好）标志位来判断是否接收到数据，当完成接收后，再以“CPUgetX”（X为所收到的数据）的形式回送给PC机，这些程序均要访问外部接口。而AT89C52则只需不断查询内部RI（串行接收中断）标志位来判断是否接收到数据，当完成接收后，再以“MCUgetX”（X为所收到的数据）的形式回送给PC机，这些程序全部在单片机内部完成。 3.3仿真结果 先在Proteus仿真软件中分别完成8086电路和AT89C52电路的原理图设计，然后将两个电路原理图中的RS-232串口PIM的通信波特率均设为2400bit/s，并设置其占用计算机串口2，串口调试助手软件占用1，再通过虚拟串口软件VSPD设置虚拟串口，使1口和2口虚拟对接7。 该实验在8086电路中仿真结果如图3所示。图中数码管显示当前时间是23时59分46秒，RxD端显示10120，表示已从PC机发送了5个数字，依次是1、0、1、2、0。TxD端显示的就是8086电路回送给PC机的5条字符串，其中数字从上往下与RxD端显示顺序一致。 该实验在AT89C52电路中仿真结果如图4所示。图中数码管显示当前时间是00时01分50秒，RXD端显示10130，表示已从PC机发送了5个数字，依次是1、0、1、3、0。TXD端显示的就是AT89C52电路回送给PC机的5条字符串，其中数字从上往下与RXD端显示顺序一致。 从仿真结果来看，两个电路均顺利完成实验要求，而且结果清楚、直观，此结果还能与实验箱上的实物效果进行比较，便于学生理解实验箱内部电路的工作原理。 4结语 在战略性新兴产业发展的背景下，学院对现有电子专业进行改造，提出“3+1”培养模式，即“前3年在学校学习，后1年在企业培训”，为此还与相关企业签订了人才培养协议8。学院在新兴产业人才培养方案制订过程中，主要依据时间集中、强化基础、减少理论、重视实践”的原则来设置课程，因此，部分课程的开设与以前有较大的区别，其中微机原理与接口技术、单片机原理及应用”这两门课程的变化具有代表性。 当两门课程的教学过程全部结束以后，通过对xx级电子专业93名本科生进行问卷调查得知，关于比较教学有42%的学生认为效果好，35%的学生认为有一定效果，23%的学生认为效果不好。认为效果不好的原因主要在于微机原理课程中汇编语言难学、部分实验箱损坏等。关于引入Proteus软件辅助教学有54%的学生认为效果好，33%的学生认为有一定效果，只有13%的学生认为没有效果。认为没有效果的原因主要是Proteus中还缺乏一些实际的元器件模型导致电路不能仿真等。此问卷调查结果表明，大部分学生认为在两门课程教学过程中采用对比方式能够增进理解，引入Proteus仿真软件不仅能够使理论课变得更为形象和生动，使实验课变得更加灵活和开放，还有助于培养实际动手能力。 参考文献： 1宋文.比较教学法在汇编语言课程教学中的应用J.电脑知识与技术,xx,9(10):2402-2403. 2高林.单片机原理与微机原理综合仿真系统的设计及应用J.实验技术与管理,xx,31(3):91-94. 3赵晚昭,周柳娜,赵晚春,等.微机原理及单片机课程改革浅谈J.物联网技术,xx(7):74-76. 4冷汹涛,蔡铭辉,庞文颖.比较教学法三要素在高等教育中的实践性探索J.高教论坛,xx(8):70-73. 5周冠玲,冯占英,李