高职院校单片机虚拟实验室建设方案研究

黄克亚

（苏州大学阳澄湖校区，江苏 苏州 215137）

单片机作为嵌入式系统的一个重要分支，目前已广泛地应用于智能化家用电器、办公自动化设备、工业自动化控制、智能化仪表、通信产品、汽车电子产品、航空航天国防军事等人类生活的各个领域。全国大中专院校电气自动化专业、应用电子技术专业、通信专业、机电专业等许多专业相继开设了单片机课程。

目前单片机的课堂教学及实验中存在诸多问题：一是单片机课堂教学多以理论教学为主，教学中需要很多硬件设备，一般理论课堂难以辅助硬件进行教学，即便演示，效果也不好。二是单片机实验室由专人管理，学生除了上课外，平时难得有机会实践，而采用的单片机实验设备大多是成品，学生很难参与其中的细节设计，因此学生动手能力也很难得到提高。三是配套的实验设备多采用实验箱或硬件仿真器配目标实验板，这种配置方式直接导致该课程的实验项目有限、实验时间过长、设备维护工作量大等现实问题。四是实验设备不足、落后，单片机实验室建设成本高，由于技术的不断更新，设备的不断老化，实验仪器也会很快落后。

针对上述问题，作者将Proteus和Keil软件引入单片机课堂教学，以构建一个适合“教、学、做”一体化教学的单片机虚拟实验室，把单片机实验室搬进课堂，实现理论教学和实践教学的无缝衔接，让理论教学和实践教学同时进行，教师根据授课要求随意切换理论教学和实践教学的环境，教师能够做到“教中做、做中教”，学生能够做到“学中做、做中学”，达到真正意义上的“教、学、做”一体化的教学要求，将理论教学和实践教学融为一体，提高学生的动手实践能力，激发学生的创新思维，强化学生的职业能力，提高教学效果。

一、Proteus和Keil软件特点

（一）Proteus软件特点

Proteus软件是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它运行于Windows操作系统，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。当硬件和软件调试成功后，利用Proteus软件提供的原理图绘制工具和印刷电路板设计工具，很容易获得其PCB图，为实物的制作提供方便。因此该软件给我们提供了一个元器件丰富、测试仪器齐全、单片机的种类繁多、开发工具齐备的单片机虚拟实验室。

（二）Keil软件特点

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的开发软件，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部份组合在一起。KEIL μVision支持众多不同公司的MCS-51架构的芯片，它集编辑、编译、仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。

将Proteus与Keil整合起来使用，构建单片机虚拟实验室，充分利用各自的仿真功能，可以让单片机的软硬件设计和调试变得十分方便。

二、单片机虚拟实验室构建

利用Proteus实现对单片机实验的改进，单片机实验将脱离传统实验硬件的限制，并结合目前广泛使用的一款51单片机开发平台KeilμVision2，将Proteus与KeilμVision2结合起来，联合利用它们的仿真功能，充分利用各自的优势构建虚拟实验室。基于Proteus和Keil的虚拟实验室构建步骤如下：

1.分析问题，提出解决方案。针对要解决的问题进行分析，确定控制要求，提出多种解决方案，综合考虑实现难易程度、硬件成本和系统性能等因素，确定最终的软硬件实施方案。

2.设计仿真电路。将手工绘制的硬件电路原理图在Proteus软件中实现，学生通过Proteus软件的使用，可以学到硬件电路设计、组装、调试的方法。

3.编写程序。学生通过Keil软件编制、调试应用程序，掌握单片机软件开发的步骤、方法和技巧。

4.软硬件联合仿真系统。软硬件联合仿真系统是将Proteus硬件开发环境和Keil软件开发环境二者在计算机上结合使用，达到完美的单片机模拟开发全过程，其结合方式有两种，一种是静态结合，一种是动态结合。静态结合仿真就是把Keil C51软件下生成的HEX文件，嵌入Proteus软件进行软硬件模拟仿真。静态结合仿真优点是简单方便，缺点是HEX文件嵌入Proteus软件后，只能在Proteus软件下仿真，不能在Keil C51软件动态观察。动态结合仿真就是利用Proteus软件支持第三方的软件编译和调试环境的特点，把Proteus软件和Keil C51软件动态连接，实现二者的动态实时仿真。动态结合仿真优点是可以实现在Keil C51软件动态仿真，在Proteus软件实时观察结果，缺点是Pruteus软件和Keil C51软件设置相对比较繁琐。

5.观察实验结果。单击Proteus中的执行按钮，开始仿真。如果实验没有达到预期效果，可以很方便地修改硬件电路或软件程序重新实验，直到完全达到控制要求为止。

三、仿真教学实例

下面以基于AT89C51的串行多通道A/D转换模拟实验为例，介绍如何用Proteus和Keil实现对单片机控制系统的联合仿真。

（一）硬件设计

根据实验目的和要求，在Proteus中建立电路原理图。首先是工作窗口加入电路所必需的元器件，其中包括控制芯片AT89C51，A/D转换芯片TLC2543，驱动芯片ULN2003A，显示设备数码管以及其它必需的电容、电阻、晶振等。随后根据电路工作原理对已加入项目的元器件进行连接，并加入电源和地线。如果在实验要观察某些信号的变化则可加入电压表，电流表或是逻辑分析仪等虚拟显示设备，至此系统硬件电路已设计完成。

（二）软件设计

打开Keil μVision2，新建一个项目，命名为“串行A/D转换.uv2”。选择Project菜单下的Select Device for Targer为这一项目选择目标CPU，这里选择AT89C51。然后单击Project菜单下的Option for Targer工程名菜单项，选择Debug选项进行相应设置，接下来编写源程序并命名“串行转换A/D.asm”，将此文件加入到工程里面，经过编译、调试、修改生成Hex文件。

（三）联合调试

Proteus软件和Keil软件联合调试在这里采用的静态结合的方法，即在Proteus软件中将Keil软件编译生成的Hex文件加载到89C51单片机中。单击Proteus软件中运行按钮，观察仿真结果可见，每个通道模拟电压值被转换为数字量轮流显示在数码管上。如果出现错误或是没有达到控制要求则可以检查电路或是修改程序再进行调试，直到完成实验目标。

四、虚拟实验室的实际意义

（一）有利于解决设备紧缺问题

解决以往以理论为主实践少，且存在实践以验证性为主及设备不足等问题。由于Proteus特有的虚拟仿真技术能在没有单片机实际硬件的条件下实现单片机系统的软硬件同步仿真调试，只要在安装有Proteus和Keil软件的虚拟实验室里就可以完成整个开发过程，无需任何其他硬件设备的支持；在实验室不开放的情况下，学生也可以利用自己的电脑来完成。

（二）有利于培养学生创新能力

由于Proteus提供的都是虚拟设备，可以让学生自由、大胆地进行各种设计，无需担心损害实验设备，也不用承担设计开发的各种费用，节约了实验经费。学生的某些创造性设想在仿真软件可以很快地得以实施，相比于到电子市场购买元器件再组装调试，既节约了成本又提高了效率。

（三）有利于推进课程教学改革

基于“工作过程系统化”的单片机项目式教学法突破了传统的教学模式，以项目取代章节，将理论知识贯穿于各项目中，开展理实一体化项目教学，强调理论知识与实践技能相结合，融“教、学、做”一体。单片机虚拟实验室的建立成为大力推进项目教学的有力保障，对于项目教学来说课程划分若干项目，每一个项目都是一个具体的控制任务，软硬件均可以在Keil和Proteus联合仿真调试，学生可以在教师指导下独立完成设计任务并检查控制效果。单片机虚拟实验室的建立可以较好地克服传统的单片机教学中无法兼顾理论教学和实践教学，或是由实物演示带来教师工作量大和教学效率低等问题。

（四）为学生实习就业创造条件

建成的单片机创新虚拟实验室可以作为学生实习的场地，在没有合适的实习场所的情况下，让学生做创新性设计实习。

单片机技术应用于各种嵌入式系统中，掌握单片机技术是自动化类专业学生就业的一个基本条件，有相当的单片机设计、开发经验，对学生毕业找工作将起到很好的帮助作用。

五、结 语

伴随着电子信息技术的飞速发展，出现了大量的仿真工具，为实际系统的开发提供了准确可靠的保证，同时节约人力和物力，是未来产品设计的发展方向。本文运用Proteus与Keil联合仿真功能完成单片机虚拟环境的构建，是对传统实物电路仿真的一种有力补充，有利于促进课程和教学改革，有利于提高学生的学习兴趣和创新能力。利用Proteus提供的可靠的虚拟仪器和仪表，不仅可以节约开发时间和开发成本，而且具有很大的灵活性和可扩展性，大大提高了教学效率。但必须指出，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多新的问题，不可能抛弃已有的教学模式和实验手段而仅仅依靠虚拟的实验环境。只有将仿真结果应用于具体电路系统，才能真正锻炼学生的软硬件综合开发能力。

［1］ 余桂兰，左敬龙.创新模式下的高校单片机虚拟实验室［J］.广东石油化工学院学报，2011，21（1）：59-62.

［2］ 焦铬，戴小新.基于Proteus和Keil的单片机虚拟实验室的构建［J］.电脑知识与技术，2010，6（28）.

［3］ 吴新华.单片机虚拟实验室的构建［J］.萍乡高等专科学校学报，2009，26（3）：38-41.

［4］ 黄克亚，尤凤翔.基于“工作过程系统化”的单片机系列课程教学改革探索［J］.职业时空，2011，（10）：74-75.