【高职院校单片机虚拟实验室建设方案研究】高职院校实验室建设包括哪些方面

　　摘要：针对传统单片机课程理论教学和实践教学中存在的问题或不足，提出了基于Proteus和Keil联合仿真的单片机虚拟实验室建设方案。具体方法是在Proteus软件中设计硬件电路，在Keil软件中开发软件程序，两者结合实现联合仿真调试。该方案有利于减少实验室建设经费，有利于推进教学改革和提升教学效率，有利于提高学生的学习兴趣和创新能力。
　　关键词：Proteus；Keil；单片机；虚拟实验室
　　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。