单片机虚拟实验室的建立

摘要：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。在具体的工程实践中，如果因为方案有误而进行相应的开发设计，会浪费较多的时间和经费。本文以学校单片机课程的实验教学为背景，较为全面地阐述采用仿真实验的方法。
关键词：proteus软件 单片机 仿真 虚拟实验室
引 言
　　单片机课程是机电、自动化等专业的一门重要课程，可以充分体现学生利用已学知识解决实际工程问题的能力。由于该学科是多基础、多理论的实践性学科，在教学过程中必须软件硬件结合，因此有学生感到难学，教师感到难教这样的尴尬。
　　现代科技的发展，促进了计算机技术在软件和硬件上的飞速发展，利用计算机软件的仿真技术，可以充分地仿真诸如电路的工作等实际的工程问题。作者无意中找到一款软件Proteus，解决了许多的问题，而单片机虚拟实验室也是以该软件为核心建立起来的。
1 Proteus介绍
　　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。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
(1)proteus的工作过程
　　运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Define code generation tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/remove source files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。
(2)Proteus软件所提供的元件资源
　　Proteus 软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，具体情况如表1所列。
　　　　　　　　

(3)Proteus软件所提供的仪表资源
　　对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题，其提供的仪表如表2所列。
　　除了表2所列的测试仪表外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。图形显示功能如表3所列。
　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　


(4)Proteus软件所提供的调试手段
　　Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号，如表4所列。
　　　　　

　　对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。
　　对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stop animation 菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。
　　对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restart debugging 菜单项命令，此时可以选择step over 、step into 和 step out命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start / restart debuging命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。
2 实验的组织
　　在单片机的理论教学和实验中，所涉及到的内容包括了四方面，即单片机系统资源、软件技术、硬件接口电路、软件和硬件结合的应用系统。因此教师在进行教学时，应该充分考虑课程的特点并作合理的模块划分，在每次实验课程前作适当的准备工作，以使教学任务能集中和突出。以下例子中所涉及到的单片机均为51系列。
(1)系统资源的实验教学
　　任何一种单片机均提供了一定的系统资源。对于51系列单片机来讲，其所提供的资源是以寄存器和存储器的方式体现出来的。对于寄存器内容的查看，可以采用多种可以模拟仿真51单片机的软件来实现。对于Proteus 软件来讲，可以执行在debug菜单下registers菜单项命令打开相应的窗口。对于系统内部存储器的查看，同样是执行debug 菜单下的 internal memory 菜单项命令打开相应的窗口。
(2)软件技术
　　在软件技术的实验中所涉及到的内容主要包括对语言中具体语句的执行效果验证、算法的具体实现、程序中语法错误的检查和逻辑错误的验证等内容。对于纯软件的实验教学内容，教师在实验设置时应充分考虑到学生的能力并作好具体的准备工作，以达到预期的教学目的。
　　例如，对于两个16位二进制数的乘法运算R4R5×R6R7=R3R4R5R6R7的汇编语言实现。为了较为直观地验证程序执行的正确性，教师在之前应该设计一个硬件电路，能完成数据的输入(带显示)和结果的输出(显示)，并设计主程序、bcd码到二进制的转换、二进制码到bcd码的转换、bcd码到显示码的转换、显示等程序的设计，学生只在实验中进行乘法运算的算法设计并作为子程序加入系统中即可。
(3)硬件接口电路
　　单片机的接口电路所涉及到的知识涵盖了电子电路设计的相关领域，也涉及到单片机应用系统具体的工作需要。接口电路部分涉及到线路的连接、元器件的选择、工作方式的设置、电路工作的稳定性和可靠性、电路的空间需求等等许多方面的知识和内容；但就学生实验来讲，所涉及到的并不需要这么全面。作为Proteus 仿真软件，其仿真电路时所模拟的元件真实工作情况，和单片机应用系统的实际工作环境还是有一定的差别。因此只能根据教学的需要，让学生自行设计电路并设置其工作方式。其实验可以通过两种方式组织实施，一是根据具体的要求，让学生设计接口电路并编写相应的程序；一是根据程序的要求，设计单片机接口电路。