基于云计算机平台实现单片机虚拟仿真实验共享

2017-12-21李光飞楼然苗任文轩

数字技术与应用 2017年10期

李光飞++楼然苗++任文轩

摘要：在单片机实验及课程设计教学中，在云服务器上安装proteus虚拟仿真软件，可构建虚拟单片机应用系统硬件电路设计实验项目，极大地方便师生利用云终端进行单片机应用系统程序及设计效果仿真演示，实现低成本、安全、高效的单片机硬件及源程序设计与实践。

关键词：云服务器；虚拟仿真；单片机；实验

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0014-03

单片机虚拟仿真实验是利用计算机网络技术实现的一种开放式网络化的实验系统，利用Proteus软件搭建出单片机硬件电路并进行程序代码的编写与仿真运行调试，可以直接在电脑上观察程序的运行效果，分析硬件电路设计的合理性、正确性，老师或学生可以在教室、实验室、寝室以及家里，方便地利用计算机网络进行单片机应用系统的电路设计及程序调试，实现了硬件电路虚拟化、数字化，大大地拓展了单片机课程实验教学的时空范围[1-6]。

1 单片机设计仿真软件

Proteus是一款功能强大的电子设计自动化仿真软件，从原理图布图设计、程序代码调试到单片机与外围电路协同运行仿真，最后轻松转换到PCB电路板设计，真正实现了从抽象概念到真实产品的完整设计实践。它是目前国际上唯一一款将电路仿真软件、PCB电路板设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus的原理图设计可模拟仿真单片机、模拟电路、数字电路的混合仿真和PCB设计。Proteus软件可对模拟电子线路实验、数字电路实验、电路分析实验实现虚拟仿真，也可对单片机应用系统、ARM应用系统进行实验仿真。其支持的嵌入式处理器有51系列、PIC、AVR等，另外其元件库中还提供了大量的LED七段显示器模块、8*8LED点阵模块、点阵LCD模块、字符LCD模块，以及直流电机、步进电机、伺服电机、按键、实时时钟芯片、数字测温传感器、AD转换芯片、DA转换芯片、示波器、电压表、电流表等单片机外围接口需要的电路部件及测试仪器。Proteus软件的编译器不仅支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，面且也支持Keil_C等多种编译器，可进行高级语言的源码级调试和仿真，Proteus虚拟仿真软件是高校开设大规模单片机虚拟仿真实验的最佳选择。

2 单片机虚拟实验室的设计

2.1 仿真实验室设备的配置

单片机虚拟仿真实验室采用Proteus网络版软件，安装在云管理服务器（Think Server RD630）上，云平台管理软件采用IBM Service Delivery Manager7.2。实验用PC机采用联想视讯云终端 LVCC V80。LVCC（Lenovo Virtual Cloud Client Solution）是由联想自主研发的端到端的虚拟云计算解决方案之一，通过统一对桌面系统、应用系统、用户数据进行集中管理、集中存储、集中计算，最后向云终端用户提供Windows虚拟桌面及应用等云计算服务。在高校教室、实验室、寝室等场合应用具有高安全、易管理、高效率、高性能、绿色节能等特点。可使用WEB界面轻松完成服务器管理、终端管理、用户管理、安全权限管理四个模块的远程统一管理。对200个终端和5台服务器的系统部署仅需要2个小时。系统管理软件由云中心统一部署，可节省90%的操作系统补丁、应用安装、安全管理等时间。云终端系统维护简易，登录桌面时间短，一般在10秒左右即可启动好虚拟桌面，具有良好的Windows7用户体验，使用者只要一个密码，在任何一台云终端登录，就可享用自己的桌面应用，图1为虚拟仿真实验室平台云服务计算管理的架构。

2.2 实验项目设计

单片机虚拟实验开发了多个虚拟实验项目的硬件电路图及参考实验程序，有LED小灯实验电路及汇编程序与C程序、定时计数器实验电路及汇编程序与C程序、定时器中断实验电路及汇编程序与C程序、串行口通信实验电路及汇编程序与C程序、按键接口实验电路及汇编程序与C程序、8位共阳数码管实验电路及汇编程序与C程序、LCD液晶显示器实验电路与C程序、彩灯控制器实验电路及汇编程序与C程序、单片机时钟实验电路及汇编程序与C程序、DS1302实时时钟实验电路及汇编程序与C程序、数字温度计实验电路及汇编程序与C程序、低频信号发生器实验电路及汇编程序与C程序、16点阵LED显示器实验电路及C程序、电子密码锁实验电路及汇编程序与C程序等。这些实验内容紧密联系单片机教学中的关键知识点，具有学习、思考、实践、领会、提高的作用。

2.3 单片机硬件电路库

单片机应用系统的硬件电路可以利用Proteus提供的大量元件库，有选择地进行器件选取与电路连接，图2是进行单片机LED小灯驱动实验而设计布线成的仿真电路，在电路图控制软件上下载单片机源程序的二进制代码就可运行程序控制的效果，图中是P1.2端口的LED小灯点亮时的虚拟仿真电路与运行效果图。

图3是用DS1302实时时钟芯片制作的单片机LED时钟电路虚拟仿真电路与运行效果图。

图4 是单片机万年历的设计虚拟仿真实验电路与运行效果图。

图5是单片机低频信号发生器实验项目的虚拟仿真电路与运行效果图。

图6是单片机16点阵LED显示器图文显示实验的虚拟仿真电路与运行效果图。

3 结语

（1）单片机虚拟仿真实验室的建设大大地提高了实验室的教育投资效益，节省了大量仪器设备和实验材料经费，实验系统不涉及到器件折旧，能够通过软件升级保持实验的先进性，可开设置验证型、综合型、创新型实验项目，实验项目可以多次重复、多人共享，克服了由于实验室的设备和材料在品种、规格、数量上的限制。

（2）单片机虚拟仿真实验给学生提供了一个直观感受，通过单片机、电路元件、显示器、按键、程序，把抽象的系统图纸化、具体化、真实化，带给师生真实的系统运行现象效果，帮助学生发散思维，提高实验质量。

（3）单片机虚拟仿真实验可准备较多的数字化实验项目资源，实验电路可重复修改，准对不同学生可根据能力大小、兴趣需要，自由搭建电路及编程，培养学生的创造性思维与能力。

（4）单片机虚拟仿真实验可避免因学生没有按照正常电路接法、操作方法不对而带来的电路烧毁、元件炸裂等危险情况，保障了师生和实验设备的安全。

参考文献