董增文，徐健寧，劉國平

（南昌大學 機電工程學院，江西 南昌 330029）

研究性學習是指學生結合課程教學內容，在教師的指導下，選擇研究課題，以類似科學研究的方式，主動發(fā)現(xiàn)問題、獲取知識、應用知識、解決問題的學習過程［1］，是一種“授人以漁”的教學模式，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標［2］，能夠提升學生對課程知識和實驗原理的理解和記憶，增強學習興趣，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力［3］。

“單片機原理與接口技術”作為應用性課程，要進行研究性學習，其實踐環(huán)節(jié)尤其重要。傳統(tǒng)實驗設備的開放性有限，教學大多只能停留在課堂的板書與實驗室的驗證實驗層面上［4］。研究性學習的教學模式應用于該課程時，學生針對千差萬別的實際項目，往往受硬件資源、時間和空間等條件的限制［5］。有時由于經費問題，甚至無法開展硬件實驗，這大大影響了學生進行研究性學習的效率和效果。

虛擬實驗室在實驗教學中具有廣闊的應用前景［6］，通過軟件仿真來進行單片機系統(tǒng)實驗也是比較經濟實用的［7－9］。單片機虛擬實驗室對于引導學生進行研究性學習，提高學生的實際動手能力、綜合設計能力、創(chuàng)新能力具有非常明顯的作用［10］。為此，筆者結合多年教學經驗，聯(lián)合應用VC＋＋和Proteus等軟件，設計研發(fā)了單片機課程虛擬實驗室，以補充和完善傳統(tǒng)實驗教學模式，為研究性學習提供平臺。

1 單片機虛擬實驗室的原理和架構

面向對象的VC＋＋編程功能十分強大，開發(fā)的軟件具有自主版權，工業(yè)現(xiàn)場的上位機監(jiān)控軟件很大一部分是采用VC＋＋開發(fā)的，所以采用VC＋＋開發(fā)虛擬實驗室的仿真效果十分貼近工業(yè)現(xiàn)場的應用。

Keil軟件和Proteus軟件仿真功能強大，不僅能仿真嵌入式系統(tǒng)CPU執(zhí)行程序的情況，還能結合外圍電路，進行整個系統(tǒng)硬件原理圖的仿真，其實驗效果非常接近于實際工程系統(tǒng)［11－13］。

聯(lián)合采用VC＋＋和Proteus等軟件開發(fā)的單片機虛擬實驗室實現(xiàn)原理如圖1所示。其中VC＋＋開發(fā)上位機監(jiān)控軟件，仿真工業(yè)現(xiàn)場的上位機監(jiān)控；Proteus軟件開發(fā)單片機的控制系統(tǒng)原理圖，結合Keil軟件編寫的單片機控制程序，仿真工業(yè)現(xiàn)場單片機（下位機）控制系統(tǒng)的運行；上位機和下位機軟件通過虛擬串口SerialNull連接并交換數(shù)據(jù)。

圖1 單片機虛擬實驗室實現(xiàn)原理

學生進行研究性學習時，根據(jù)掌握知識由淺到深的原則，實驗分成不同的層次，該虛擬實驗室架構上也分為4個層次，依次體現(xiàn)4個實驗模塊。

（1）基礎實驗模塊。此實驗模塊針對單片機課程的一些基本概念及知識點進行設計。比如：對P0口的應用特點、做通用I／O口需要上拉的輸出特性；設計出P0口控制LED的電路。學生在進行研究性學習時，可以自己編程驗證該實驗電路的控制效果。由于能仿真出P0口作為I／O輸出口時接上拉電阻和不接上拉電阻的控制效果的差異，學生能更形象、直觀地理解該知識點，從而在入門階段就對本課程建立興趣。該模塊不但可以讓學生在自己個人電腦上進行驗證實驗，還可以在上課時結合多媒體設備進行課堂演示，做到“實驗進課堂”，提高課堂教學的效果。

（2）綜合實驗模塊。本模塊重點訓練學生對上一模塊中基礎知識點的綜合應用。單片機的重要知識點，如中斷、定時器等對單片機的應用開發(fā)極為重要。綜合實驗模塊以這些重要知識點為目標，以實際應用系統(tǒng)的某部分為對象進行仿真設計。如開關控制蜂鳴器的實驗就綜合了中斷和定時器的使用。學生通過研究性學習后完成此實驗，可以鞏固和提升對知識點的掌握，并得到實際應用的初步訓練。

（3）設計性實驗模塊。設計性實驗的內容都是針對實際生活當中的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的設計涉及單片機課程的大部分知識點，能充分發(fā)揮學生的主觀能動性及創(chuàng)造性，完成之后具有一定的成就感，能得到硬件電路設計和軟件設計方面的訓練。

（4）課程設計模塊。單片機課程設計的任務是設計一套有實際應用的、具有一定復雜程度的單片機控制系統(tǒng)，要求學生手工繪出系統(tǒng)原理圖，并開發(fā)相應的系統(tǒng)控制軟件，學生設計的原理圖及開發(fā)的軟件將在該模塊得到檢驗、修改和調試。

2 單片機虛擬實驗室的實現(xiàn)方法

以直流電機速度監(jiān)控系統(tǒng)為例來說明單片機虛擬實驗室的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)的開發(fā)包括VC＋＋上位機監(jiān)控軟件、Proteus下位機控制系統(tǒng)原理圖設計、keil單片機Demo控制程序開發(fā)、SerialNull上位機和下位機虛擬串口連接和系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

（1）VC＋＋開發(fā)上位機監(jiān)控軟件。本監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機監(jiān)控軟件包括當前轉速顯示、歷史轉速曲線繪制、監(jiān)控數(shù)據(jù)報表顯示、按鈕控制直流電機減速或加速、按鈕保存報表數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)日期和時間的顯示。

實現(xiàn)步驟如下：

第一步，利用 MFC AppWizard［exe］向導建立一個基于對話框的工程。

第二步，在對話框中加入相應控件分別實現(xiàn)上述功能，如采用MSComm控件實現(xiàn)上位機和下位機的串口通信；采用List Control控件實現(xiàn)報表顯示；采用ADO Data控件實現(xiàn)報表數(shù)據(jù)庫存儲；采用Teechart控件實現(xiàn)轉速曲線繪制等。

第三步，對上述控件編寫控制代碼。值得一提的是，在對話框工程初始化函數(shù)中對MSComm控件初始化時，應與虛擬串口連接軟件SerialNull的設定、Proteus中COMPIN虛擬器件的設定、單片機程序中波特率和幀格式的設定相對應。本例中，上位機監(jiān)控軟件采用虛擬串口COM3通信，波特率為9600，幀格式為10位。

故MSComm控件初始化如下：

（2）下位機控制系統(tǒng)設計。首先在Proteus中設計單片機（下位機）控制原理圖，本控制系統(tǒng)中采用電位計控制直流電機轉速。電位計的模擬量值由ADC0808采集，轉速采用2位LED顯示，控制直流電機轉速的PWM波由DAC輸出。與上位機的通信采用COMPIN虛擬串口器件，對應計算機的虛擬串口COM4。該器件集成了電平轉換功能，不需要另接MAX232進行電平轉換，使用方便。

然后采用Keil軟件編寫單片機Demo控制程序，值得注意的是，單片機串口波特率和幀格式的設定要和上位機監(jiān)控軟件的設定相對應。本例中是：

TH1＝0xfd；／／波特率9 600，幀格式10位，方式1，不倍增；

TL1＝0xfd；

TR1＝1；

SCON＝0x50；

PCON＝0x00。

最后將Keil生成的.HEX文件加入到Proteus的控制系統(tǒng)原理圖中。

（3）虛擬串口連接。采用SerialNull軟件實現(xiàn)上位機和下位機的虛擬串口連接，上位機監(jiān)控軟件對應COM3，下位機原理圖COMPIN對應COM4。

（4）上位機和下位機仿真軟件聯(lián)合運行。上位機監(jiān)控軟件和下位機控制系統(tǒng)設計完成后，進行整個系統(tǒng)聯(lián)合運行，并根據(jù)運行結果進一步調試程序和修改原理圖。系統(tǒng)完善后，聯(lián)合仿真運行效果見圖2和圖3。從運行效果看，該系統(tǒng)具有高開放性、高逼真性，可作為學生進行直流電機控制方面的研究性學習平臺。

圖2 VC＋＋上位機監(jiān)控軟件運行結果

3 結束語

為配合學生的研究性學習，必須有相應的實驗平臺。筆者研發(fā)的單片機虛擬實驗室經過近2年的使用表明，其具有高開放性、使用方便、實驗成本低、幾乎無消耗等優(yōu)點，在促進學生進行研究性學習方面效果明顯。

圖3 下位機（單片機）控制系統(tǒng)仿真運行結果

該實驗系統(tǒng)配合多媒體設備，可以很方便地在課堂上邊教學邊演示實驗，豐富了課堂教學的手段，大大促進了教學質量的提高。

（References）

［1］董增文，胡瑢華，劉國平.機電控制器類課程虛擬實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.實驗技術與管理，2011，28（8）：53－56.

［2］任長松.探究式學習：l8條原則［J］.教育理論與實踐，2002（2）：56－59.

［3］袁麗環(huán)，段江燕.研究性學習在高校生化實驗教學中的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2010，27（6）：12－14.

［4］蘇變玲，朱志平，袁衛(wèi)，等.基于Proteus的單片機仿真教學的研究［J］.實驗室研究與探索，2009（4）：75－78.

［5］陳龍，張亞君.Proteus仿真軟件在單片機實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2009，26（8）：73－75.

［6］宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景［J］.實驗技術與管理，2005，22（1）：35－37.

［7］孫凌燕，黃允千.Proteus與Keil軟件的整合在單片機實驗開發(fā)中的應用［J］.實驗室研究與探索，2008（4）：59－61.

［8］風標科技公司.Proteus VsM：完善的電子設計系統(tǒng)［M］.風標科技公司，2005.

［9］鐘艷花.Proteus仿真軟件在單片機教學中的應用［J］.江門職業(yè)技術學院學報，2007（4）：1－3.

［10］匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業(yè)Proteus實驗室的建設［J］.實驗技術與管理，2009，26（1）155－158.

［11］Wang Huiqiang，Xing Yanqiu，Xiao Tao.The Control System of Belt Grinder Which Based On The Touch Screen And PLC［C］／／International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan，2010.

［12］Matti Vaananen，Jussi Horelli，Juha Katajisto.Virtual Learning Environment Concept for PLC－programming －Case：Building Automation［C］／／2010 2nd International Conference on Education Technology and Computer.Shanghai，2010.

［13］劉心童，郭福田，孫振興，等.Proteus仿真技術在單片機教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2007，24（3）：96－98.