文献翻译-单片机实践教学中的仿真设计与应用

2013年2月湖北第二师范学院学报Feb2013第30卷第2期JournalofHubeiUniversityofEducationVol30No.2单片机实践教学中的仿真设计与应用张庆(湖北第二师范学院机械与电气工程系，武汉430205)摘要:在工科类专业课程教学中，单片机的实验室建设多采用硬件仿真器与实验板相配合的方式，但是单片机应用技术所涉及到的实验实践环节比较多，而且硬件投入比较大。本文针对传统单片机实践教学存在的诸多问题，提出一种基于软件仿真的单片机实验室建设方案。利用Proteus软件来进行单片机仿真实验教学，分析了利用Proteus软件进行单片机实验的优势。关键词:单片机;Proteus;实践教学收稿日期:20121120中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1674-344X(2013)2-0042-04作者简介:张庆(1977)，男，湖北武汉人，讲师，研究方向为计算机教育技术、计算机辅助设计。1引言传统的实践教学是购买大量的耗材让学生做出实物。存在着诸多问题:(1)单片机实验室由于存在场地和时间等问题，学生除了上课时间外，平时很难有机会实践，如让学生个人配备单片机实验开发系统，因成本较高，很多学生无法承受;(2)传统的实践教学多采用单片机实验箱或硬件仿真器配目标实验板来进行，由于硬件电路已经固定，学生无法了解内部的连接情况，也很难参与其中的细节设计，只能做一些验证性实验，获得一些感性认识，而无法培养学生的实验能力和实验设计能力，学生的动手能力也很难得到提高;(3)由于单片机技术的不断更新，所以有些学校的单片机实验室还只是基于8051的，像如今应用普遍的AVR、PIC、ARM不能及时补充，造成了学生知识的欠缺。所以建设单片机仿真系统就尤为迫切，应用仿真系统，不仅可以在计算机构成的虚拟环境中设计电路，还可以对电路进行模拟测试，及时发现潜在的问题，缩短新产品的开发周期。2单片机软件仿真系统系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真(Simulation)就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。在各个领域都出现了各种仿真系统，为各种实际系统的开发提供了准确可靠的保证，同时节约了大量的人力和物力。现在各个领域都出现了大量的仿真工具，在电子信息技术领域已有很多杰出的仿真工具。如各种EDA(ElectronicDesignAutomation电子设计自动化)工具:模数混合仿真的Multisim、OrCAD、Protel等;数字系统设计仿真的Maxplus、Fundation、Expert等;系统仿真软件Systemview等。然而在单片机仿真中，这些软件却没有太好的处理办法。现在单片机课程主要开设的是以8051系列单片机为核心，在此基础上开设AVR系列，以至于PIC等系列的选修课程。这些课程的开设，就必然要为之设置相应的实验。其结果就是要投入相当的财力物力建设实验室。然而这些实验室的利用率有时是很低的。实验器材在时间的洗礼中不断地淘汰折旧，这些都是每个学校头疼的事情。所以建立仿真实验室是一个很好的解决途径。为了保证相应实验的开设，单片机软件仿真系统应具有以下的功能:(1)单片机仿真和SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitsEmphasis)电路仿真相结合在仿真单片机系统时，最重要的是要完成前向通道、后向通道和人机通道的配置和接口，此外还需要知道单片机内部各种寄存器、数据存储、程序存储以及各个端口当前的状态。单片机系统的接口电路中，必然会有许多模拟电路，模拟电路的仿真就必然需要SPICE模型，因此24必须要求单片机方正系统具有SPICE电路仿真功能。区别于传统仿真和分析，该系统不仅能对非智能器件仿真，还可以对单片机甚至更加复杂的嵌入式系统进行仿真，并实时地对外围电路同步仿真，这样有利于相关项目的开发和应用。(2)支持主流单片机系统的仿真该系统应该能支持目前主流的单片机如:51系列，其代表产品AT89C51、AT89C52、STC89C51RC等。PIC系列，其代表产品PIC16F873(A)、PIC16F877(A)等AVR系列。AVR系列，其代表产品AT90S2313、AT90S8515、AT90S8535等。以及飞思卡尔(Freescale)系列等。(3)提供软件调试功能在硬件仿真系统时具有设置断点、单步、全速等基本调试功能。并提供观察各寄存器、变量、端口等的当前状态。同时要支持第三方的软件编译和调试环境。(4)提供丰富的外围接口器件外围接口要把常用的电子元器件尽可能地囊括其中，使之能接近实际工作。学生在训练时，可以选择多个方案进行比较，这样使学生的电路设计能力和动手能力得到培养。(5)提供丰富的虚拟仪器在仿真过程中可以利用虚拟仪器测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。(6)具有强大的原理图绘制功能。3单片机实践教学中仿真实验室的配置方案通过对多种软件进行对比。我们认为单片机仿真系统和编译调试环境分别选用Proteus和Keil软件。再辅以必要的硬件仿真器、实验板、编程器和示波器即可构成功能强大、使用方便、易于被学生掌握的单片机实验室。采用Proteus仿真软件进行虚拟单片机实验，具有比较明显的优势:(1)不受时间和空间的限制，学生只要有一台装上Proteus软件和Keil软件的电脑就可以自行进行实验;(2)实验内容全面，既可以进行软件部分的用汇编、C51等语言编写的程序的调试过程，也可以进行硬件部分的对同一类功能的接口电路用不同的硬件来搭建实现。从而克服了单片机实践教学中不能改变硬件电路，实验内容固定等局限性;(3)硬件投入少，无元器件损耗，经济优势明显，Proteus所提供的元件库和虚拟仪器仪表，很容易就能实现常用硬件电路的设计，而无须投入真实的仪器仪表，从而有效节约经费和减少仪器设备的维护工作量:(4)与工程实践最为接近，有效锻炼学生的综合分析能力和开发创新能力。学生可自己进行硬件电路的设计，充分发挥自己的想象力，当不满足要求时，可反复修改，直到在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。31仿真软件选用Proteus的ISIS(IntelligentSchematicInputSystem)Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司研发的EDA工具软件。由ISIS(原理图设计与仿真平台)和ARES(AdvancedRoutingandEditingSoftware高级布线和编辑软件平台)组成，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。该软件的主要功能有:(1)满足我们对单片机软件仿真系统所需要的功能。并不断增加了很多新的功能，能够提供互动的电路仿真。(2)具有模拟电路、数字电路、单片机及其外围电路组成的综合系统仿真。并提供各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，使得相关实验更清晰直观、简洁方便，更加有利于教学应用。(3)处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。(4)支持大量的存储器、外围芯片，能实现PCB自动或人工布线。(5)提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如IAR、Keil和MPLAB等软件。(6)具有强大的原理图绘制功能。32编译调试环境选用KeilC51uVision软件Keil软件集编辑、编译和程序仿真等于一体。同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计，支持众多主流公司的单片机的芯片。在程序调试、软件仿真方面Keil都有很强大的功能，很多应用MCS51的工程师都在使用该软件。所以使用该软件能使学生获得很多实际工作经验。并且只需通过设置，即可与ISIS实现联机调试单片机系统。33配置计算机平台Proteus和Keil软件两款软件对机器的配置要求都不高。目前的主流计算机运行起来以绰绰有余。而计算机的数量，可根据实验室的规模来确定。按实验小组的数量配置或按每人一台配置。34配置硬件仿真器、实验板、编程器和示波器等单片机课程安排了8个左右的实验。这些实验不需要特殊的器件，所以每个实验首先都是通过单片机仿真软件实现。为了让学生的训练不脱离实际，给学生提供硬件仿真和验证的机会。在学期末安排单片机实训，学生自己绘制原理图，自己编制程序，在仿真软件里首先调试通过。调试通过后，将自己编译好的程序用编程器去烧录，然后在自己焊接的电路板上去观察运行结果。如果有问题，再去调试、分析。这样我们34用有限的资金解决了单片机实验室的建设问题。4Proteus与Keil的联机调试设置41假若KeilC与Proteus均已正确安装在C:ProgramFiles的目录里，把C:ProgramFilesLabcenterElectronicsProteus6ProfessionalMODELSVDM51dll复制到C:ProgramFileskeilCC51BIN目录中。42用记事本打开C:ProgramFileskeilCC51TOOLSINI文件，在C51栏目下加入:TDRV8=BINVDM51DLL(ProteusVSMMonitor51Driver)。43在keilc51程序写好后，单击Project菜单/OptionsforTarget选项或者点击工具栏的optionfortarget按钮，弹出窗口，点击Debug按钮，选中那个ProteusVSMMonitor51Driver在出现的对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中ProteusVSMMonitor一51Driver，并且选择Use单选项。如图1所示:图1Keil的联机调试设置再点击Setting按钮，设置通信接口，在Host后面添上127001，如果使用的不是同一台电脑，则需要在这里添上另一台电脑的IP地址(另一台电脑也应安装Proteus)。在Port后面添加8000。点击OK按钮，最后将工程编译，进入调试状态，并运行。44Proteus的设置进入Proteus的ISIS，鼠标左键点击菜单Debug，选中useromotedebugermonitor。此后，便可实现KeilC与Proteus连接调试。5用Proteus软件虚拟单片机实验的优点51内容全面采用Protues仿真软件进行实验教学，克服了用单片机实验教学板教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。52硬件投入少，经济优势明显Protues所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是经济可靠的。如果在实验教学中投入这样的真实的仪器仪表，仅以仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学，其经济优势是比较明显的。53学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力如果采用传统的实验教学方法，则学生需要购置的设备比较多，增加了他们学习和研究的投入。采用仿真软件后，学习的投入变得比较的小，而实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。54实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题在传统的实验教学过程中，都涉及到因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁，也涉及到仪器仪表等工作时所造成的能源消耗。采用Protues仿真软件进行的实验教学，则不存在上述的问题，其在实验的过程中是比较安全的。55与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程在进行课程设计或进行大实验的时候，可以具体的在Protues中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。6结语建立了单片机软件仿真平台的实验室后，实验、教学和学生的创新实验都发生了很多的变化，学生兴趣大增，实际动手能力显著增强。首先，实验项目数稳步增加，并已实现该课程实验独立设课，并逐步向半开放实验模式迈进;其次，课程设计，已由原来固定时间、固定题目向现在的全开放、分散型自主模式过渡。再次，改进了教学方式。学生在老师的启发下，亲自动手完成单片机系统的设计、软件调试、仿真。同时，我们建立了创新综合实验室，为学生搭建了基于单片机应用的创新平台。创新实验室由电子制作小组具体负责，全天候对外开放。通过这个实验室，加强了学生学习和使用单片机的实践环节，增强了学生的创新意识和创新思维，达到了提高学生的创新能力的目的。几年来，开展了多项单片机制作活动，指导学生进行单片机项目制作，极大地提高了学生的单片机实际应用能力。参考文献:1李芳，李家庆基于Proteus+Keil的单片机实验仿真平台J中国教育技术装备，2009，(4):67682吕宏丽Proteus和Keil在单片机控制系统仿真中的应用J福建电脑，2008，(3):1053王东峰，王会良，董冠强单片机C语言应用100例M北44京:北京航空航天大学出版杜，2007:35384吕宜忠，宋英超项目教学法在数控教学中的应用研究J科技创新导报，2009，(12):1485马刚，李向仓用Proteus与Keil整合构建单片机虚拟仿真平台J现代电子技术，2006，(24):1291316吕宏丽Proteus和Keil在单片机控制系统仿真中的应用J福建电脑，2008，(3):1057胡柏顺，白雪峰，唐劲飞基于LabVIEW的洞库温度测量系统口J舰船电子工程，2011，31，(7)8高顺凯，杨国志基于LabVB2TW和单片机的串行无线遥控系统设计J舰船电子工程，2011，31，(8)SimulationDesignandApplicationofSCMPracticeTeachingZHANGQing(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering，HubeiUniversityofEducation，Wuhan430205，China)Abstract:InEngineeringCoursesTeaching，theconstructionofthemicrocontrollerlabhardwareemulatormatchtheexperimentalboardmicrocontrollerapplicationstechnologyrelatedmoretoexperimentalpracticeandgivenmorehardwareinvestmentAsthetraditionalmicrocontrollerpracticeteachinghasmanyproblems，thispaperproposesasoftware-basedsimulationofsingle-chiplaboratorybuildingprograms，ProteussoftwareMCUexperimentalteaching，withtheadvantageofusingtheProteussoftwareMCUexperimentKeywords:SCM;Proteus;檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵