利用Proteus仿真软件构建单片机虚拟实验室

摘要:创建基于Proteus的单片机虚拟实验室,利用功能强大的Proteus仿真软件对单片机及其外围器件进行仿真,实验系统搭建简单容易,仿真过程形象直观,为单片机课程教学提供了一个很好的实验手段。

关键词:Proteus;虚拟实验室;构建;单片机;仿真

中图分类号:G717文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)08-0154-02

随着单片机在各行业的广泛应用,社会对掌握单片机技术的人才需求也越来越多,因而单片机技术已成为各高校电类专业开设的必修课程,单片机技术应用与开发也已成为学生就业的一个主要方向。但是单片机课程是一门理论性与实践性都比较强的课程,在教学过程中必须将软件与硬件结合,也就是将单片机程序与外围电路相结合,才能使学生更好地将所学的单片机理论知识转化为实际能力。

由于传统的单片机实验、实训大都在实验箱上进行,费用高且不能充分利用,往往导致学校不愿多开设实验、实训课,学生平时很难有机会实践。即便在理论课堂上进行现场演示教学,效果也不尽如人意。

现在国内外有很多仿真软件,如PspICE、OrCAD等均支持51系列单片机,但其共同缺点是对单片机电路的系统设计无法进行仿真。而专门针对单片机仿真的另一类软件,如MedWin、伟福等,如果离开仿真器,仅仅进行纯软件仿真,效果也不好。Proteus仿真软件则设计了一个符合要求的、纯软件的单片机虚拟实验室系统,既可调试单片机程序,也可仿真单片机外围器件的工作情况。

Proteus软件简介

Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的多功能EDA软件,是目前最先进、最优秀的单片机与嵌入式系统的设计与仿真软件,具有资源丰富、开发周期短、系统设计与开发难度低、与实际设计接近程度大等优点。除了具有其他EDA工具的原理图布局、PCB自动或手工布线、电路仿真等功能外,Proteus软件的最大特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真,可直接在单片机虚拟系统上对MCU编程,可对软件源代码进行实时调试,并支持第三方的软件编译和调试环境,如WAVE、Keil等软件。同时,它具有电路互动仿真功能,通过动态外设模型,如键盘、LED/LCD等,可实时显示系统输入、输出结果,或配合Proteus提供的虚拟仪器,如示波器、虚拟终端等实现交互仿真。利用Proteus仿真软件对所设计的单片机系统进行仿真,不但在测试程序执行时可见单片机某些寄存器值的改变,更能从工程的角度直接看到程序运行和系统工作的过程和结果。当虚拟单片机系统的仿真结果达到系统预期效果后,可再进行硬件实物开发。Proteus也因其强大仿真功能而备受各大高等院校师生的青睐,利用Proteus软件构建单片机虚拟实验室已经逐渐成为一种趋势。

单片机虚拟实验室的构建

虚拟实验室也称为合作实验室,最早在1989年由美国弗吉尼亚大学(University of Virginia)的威廉姆·伍尔夫(William Wulf)教授提出,用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动,将微机上各种虚拟仪器,按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统,同时在这个系统上完成整个实验,包括元件的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析等。

从现在高校的机房配置情况看,只要拥有一台服务器、一台教师机和三四十台学生机的机房,在安装了Proteus软件后,足以构建一间单片机虚拟实验室。基于Proteus的单片机虚拟实验室,具备以下三个条件,完全可以满足学生对掌握单片机知识的需求。

第一,能够提供类似于真实单片机实验室的必要的虚拟硬件设备。一般的单片机硬件电路的设计包含两部分内容:一是系统扩展,即单片机自身的功能(单元ROM、RAM、I/0口和定时器/计数器等)不能满足需要时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路;二是系统配置,即按照系统的要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。很多常用的硬件电路的设计都可在Proteus软件中实现,学生通过Proteus软件的使用,不仅能实现教材上部分实验,还可以学习硬件电路设计的方法。

第二,能够进行应用程序的编写和调试。学生通过使用WAVE、Keil等软件编写、调试应用程序,既可以掌握单片机各种指令的应用,也可以学会单片机软件开发的步骤、方法和技巧。

第三,可以实现虚拟硬件和软件联合调试。利用WAVE、Keil等工具软件与Proteus的联合,可以方便地实现单片机系统的仿真调试。

应用实例

笔者拟通过一个具体的单片机系统应用实例,以Keil作为软件调试界面,以Proteus作为硬件仿真和调试界面,联合实现对单片机系统的仿真。

实例要求用单片机和D/A转换芯片输出一锯齿波。在Proteus中完成的电路原理图设计如图1所示。利用Keil软件编写程序并编译,生产.HEX文件。

将Keil软件生产的.HEX文件加载到Proteus原理图的MCU中,运行并调试程序,在虚拟示波器中观测到的结果如图2所示,完全达到设计要求。

单片机虚拟实验室在教学中的比较优势

利用Proteus仿真软件与Keil或WAVE软件联合,构建单片机虚拟实验室,对于高校的单片机课程教学而言具有明显的比较优势。这种联合搭建的仿真平台可以完成单片机教学过程中的全部软件实验和绝大多数的硬件系统实验。而且构建单片机虚拟实验室所需硬件投入少,经济优势明显,不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足,还不涉及原材料消耗和仪器损坏等因素,可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容,加深对概念、原理的理解,弥补课堂理论教学的不足。虚拟实验室的一个最大特点是具有开放性,只要告诉了学生具体的实验内容、实验方法,学生可以在实验室以外完成,跨越了传统教学的地域局限,学生可以自主完成一些单片机系统的设计与开发,这对进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发创新能力具有重要意义。

将Proteus仿真软件纳入单片机课程教学体系之中,创建单片机虚拟实验室,可以将大量教学信息直接地表现出来,既可以改变这门课程在教学实践中出现的生涩难懂、效果不佳的现象,实现形象化教学,激发学生的学习兴趣,提高学习效率,又可以充分利用计算机房的现有设备,减少实验设备的硬件维护工作量,实验环境又与实际工程系统非常接近,可拉近单片机学习与就业的距离。但是虚拟实验是不可能代替实物实验的。因此,应提倡实验内容虚实交替、互为补充的原则,最终实现虚实并存,虚拟实验为手段、实物实验为目的的教学效果。

参考文献:

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作者简介:

朱海洋(1978—),男,内蒙古赤峰人,硕士,广东松山职业技术学院讲师,研究方向为计算机控制技术及其应用。

(本栏责任编辑:谢良才)