虛擬仿真技術(shù)在單片機教學中的應(yīng)用分析

許燕

摘? ?要：單片機具有體積小、耗能低、控制功能強、擴展靈活等特點，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各大高校電子信息專業(yè)也逐漸開始開設(shè)單片機課程。單片機課程是一門實踐性非常強的課程，為了解決課堂教學死板、受時間與空間限制等問題，將虛擬仿真技術(shù)運用在單片機教學中，通過實例分析來驗證虛擬仿真技術(shù)在單片機教學中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;單片機教學;應(yīng)用分析

隨著社會科技的進步與發(fā)展，高等院校的教學已經(jīng)將單片機課程放在重要位置。單片機技術(shù)成為工科專業(yè)學生必須掌握的基本技術(shù)，是學生走向社會需要具備的重要專業(yè)技能。單片機技術(shù)會涉及通信、微機接口、編程等多方面知識，是一項軟件、硬件相結(jié)合的技術(shù)。先理論后實踐的傳統(tǒng)教學方式的教學效果并不樂觀，單片機教學需要結(jié)合應(yīng)用型人才的需求，將虛擬仿真技術(shù)融入教學的各個環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)學生軟硬件設(shè)計能力，提高實踐能力與創(chuàng)新能力，將抽象的教學內(nèi)容直觀化，進一步改善教學效果。

1? ? 單片機教學現(xiàn)狀分析

1.1? 課堂教學不夠直觀

傳統(tǒng)的單片機教學大多采用板書與多媒體課件相結(jié)合的手段來進行理論教學，然后通過試驗箱進行一些驗證性的實驗，實踐操作與理論知識脫節(jié)。在理論教學中，講解的內(nèi)容往往比較抽象，課堂實例也不能夠檢驗接口電路的可行性，無法對電路運行的最終結(jié)果進行判定，學生缺乏直觀的體驗與認識，嚴重影響學生積極性，試驗箱的驗證也僅是簡單地連線便可完成，學生無法了解單片機接口電路的工作原理。

1.2? 實踐環(huán)節(jié)受資源與時間限制

在課堂上，由于硬件設(shè)備量大，所以很難進行實際演示，單片機實踐環(huán)節(jié)的要求非常高，而在計算機、電源、試驗箱等設(shè)備的連接中，一旦出現(xiàn)失誤，會導(dǎo)致電路板、仿真接口燒毀，造成一定的損失[1]，導(dǎo)致學生在針對單片機功能進行自主設(shè)計時存在一定的局限，學生實際動手機會不多，無法發(fā)揮主觀能動性，導(dǎo)致學生綜合設(shè)計能力與創(chuàng)新意識受限。

1.3? 缺乏設(shè)計的整體協(xié)調(diào)性

單片機教學的最終目標在于讓學生能夠掌握單片機軟件編程以及了解單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)階段軟件與硬件分離的教學方式，學生很難從單片機系統(tǒng)的角度來對單片機軟硬件結(jié)合技術(shù)進行理解，教學中工程實踐設(shè)計的缺失導(dǎo)致學生喪失了整體設(shè)計與協(xié)調(diào)能力。許多院校在實驗設(shè)計方面投入有限，無法進行綜合性實驗操作，嚴重影響學生對系統(tǒng)設(shè)計的整體協(xié)調(diào)性。

2? ? 虛擬仿真技術(shù)的特點

虛擬仿真技術(shù)是一種模擬技術(shù)，通過虛擬系統(tǒng)來對真實技術(shù)進行試驗。在單片機教學中，經(jīng)常會運用到Proteus仿真軟件對單片機系統(tǒng)進行虛擬仿真[2-3]。該軟件能夠?qū)纹瑱C及外圍器件進行仿真，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的仿真設(shè)計，能夠?qū)㈦娐贩抡孳浖?、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計、虛擬模型仿真軟件3者合為一體。Keil軟件是單片機系統(tǒng)開發(fā)軟件，能夠支持C語言及混合編程，是一款兼容51系列單片機的開發(fā)工具，能夠在無硬件情況下進行程序的調(diào)試與仿真。運用Proteus仿真軟件來建立單片機虛擬系統(tǒng)，然后運用Keil軟件對程序進行調(diào)試，通過二者的結(jié)合來模擬出單片機系統(tǒng)的運行效果。

3? ? Proteus與Keil聯(lián)合仿真

Proteus與Keil的聯(lián)合仿真，首先，需要在Keil環(huán)境下安裝驅(qū)動程序并且建立起相應(yīng)的項目文件，根據(jù)仿真內(nèi)容來繪制電路圖并且編寫單片機程序代碼，設(shè)置Keil環(huán)境下項目文件的“Target”選項，選擇“Debug”方式為“Proteus VSM Simulator”。其次，在Keil環(huán)境下進行項目文件編譯，運行單片機程序。最后，在Proteus環(huán)境中對運行結(jié)果進行觀測，一旦結(jié)果出現(xiàn)錯誤，要及時到Keil環(huán)境中進行修改，直至運行結(jié)果正確為止。

4? ? Proteus在單片機教學中的應(yīng)用

學生可以在仿真的環(huán)境下，運用Proteus虛擬技術(shù)，結(jié)合任務(wù)需求來進行電路設(shè)計，對任務(wù)的完成不會受到空間與時間的限制，而且不會產(chǎn)生過多成本，為學生的實踐操作提供一定自主性，讓學生加強對考察內(nèi)容的思考，通過虛擬技術(shù)來提升學生解決問題的能力。在單片機教學過程中，可以通過Proteus虛擬技術(shù)來對教學內(nèi)容進行演示，使知識點體現(xiàn)地更加直觀，促進學生學習的積極性。教師也可以通過仿真技術(shù)來制作教學課件，通過生動的演示，讓學生對單片機產(chǎn)生感性認識，通過Proteus有助于對概念進行明確，有效解決難點，在單片機教學中會存在大量的重點與難點，例如終端優(yōu)先級便是比較難掌握的內(nèi)容。運用Proteus進行仿真，學生能夠直接參與操作，使顯示更加直接，在Proteus仿真演示界面中，會對仿真片段進行演示，運用兩個按鍵來控制外中斷上溢中斷（Interrupt on Overflow，INTO）和INTI，啟動仿真程序之后，數(shù)碼管會從0到9反復(fù)循環(huán)顯示，假設(shè)在數(shù)碼管顯示3時按下低優(yōu)先級按鍵，則主程序中斷數(shù)碼管會顯示停留在3，再次啟動低優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，數(shù)碼管又會從0開始運行，假設(shè)運行到顯示7時按下高優(yōu)先級按鍵，產(chǎn)生高優(yōu)先級INTI外中斷，這時高優(yōu)先級中斷打斷低優(yōu)先級中斷，低優(yōu)先級數(shù)碼管顯示停留在7，啟動高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序。高優(yōu)先級數(shù)碼管從0開始運行，直到顯示9后結(jié)束高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，返回執(zhí)行低優(yōu)先級尚未完成的中斷服務(wù)程序，結(jié)束后再返回執(zhí)行主程序。在這種虛擬的環(huán)境下，單片機技術(shù)課程實踐教學會變得更加形象、直觀，教師與學生能夠通過對原理圖的虛擬來完成編程，學生可以對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行設(shè)計，提高教學效率與教學效果[4]。

5? ? 單片機教學中虛擬仿真實例

實例要求：運用AT89C51單片機的P1.0引腳控制單個LED的閃爍，通過調(diào)整軟件參數(shù)來調(diào)節(jié)LED閃爍頻率。

5.1? 仿真電路設(shè)計

根據(jù)電路設(shè)計要求，在Proteus ISIS編輯區(qū)對系統(tǒng)仿真電路進行設(shè)計，在進行電路設(shè)計時，學生要對單片機的最小系統(tǒng)進行搭建，包括時鐘電路、復(fù)位電路等。確保系統(tǒng)能夠正常運行，然后用P1.0引腳外接一個LED，通過對P1.0引腳的輸出電平來對LED的閃爍進行控制。

5.2? 編程設(shè)計

編程設(shè)計需要在Keil軟件環(huán)境下完成，在硬件電路圖完成之后，學生會了解高LED閃爍是由P1.0高低電平來進行控制的，在編程時，可以在P1.0引腳電平取反后調(diào)用一段延時子程序delay（uchar n），通過對n值的改變來控制LED閃爍頻率，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

該程序首選對系統(tǒng)進行初始化，并給出n賦初值，然后根據(jù)P1.0引腳電平取反使LED燈交替亮滅，通過延時子程序保持該狀態(tài)，當延時時間到時就給P1.0引腳取反，以此循環(huán)。在Proteus環(huán)境下，將Keil所生成的.hex文件加載到單片機上，經(jīng)過仿真調(diào)試來觀察在程序運行時LED燈的亮滅，通過修改延時子程序中的n值，來觀察LED燈的閃爍變化[5]。

5.3? 實驗總結(jié)

學生在進行實踐操作之后，要對仿真實驗所運用的單片機理論知識及原理進行總結(jié)，生成實驗報告，在老師的建議與指導(dǎo)下進行優(yōu)化與完善。

6? ? 虛實結(jié)合教學模式

實際電路的布局、搭建與仿真電路是存在一定區(qū)別的，不能完全用理論電路圖來替代實際電路的布局與接線，訓練學生能力的重要途徑是提升學生解決問題的能力，硬件電力實訓對學生學習識別元器件、焊接訓練、接線等都有著重要意義。在硬件電路實訓中，如果電路設(shè)計成功，學生便能夠直觀地看到自己的設(shè)計成果得以實際運行，能夠激發(fā)學生的學習興趣以及提升成就感，促進學生積極主動學習。

針對以上問題進行分析，在單片機教學中，要采用虛實結(jié)合的教學手段，既要進行虛擬仿真又要進行硬件電路實訓，在實驗課程中，要正確引導(dǎo)學生按照產(chǎn)品開發(fā)的思路，對產(chǎn)品需求進行分析，然后選擇電路元器件，查詢外圍電路的原理以及功能，對電路框架進行分析，畫出電路圖進行虛擬仿真，通過硬件平臺、軟件系統(tǒng)來進行實際操作，最后，對運行結(jié)果進行觀察并且寫出實驗報告，通過這些環(huán)節(jié)能夠培養(yǎng)學生認真的學習態(tài)度與嚴謹?shù)膶W習思路。另外，對理論知識的講解要由淺入深，將理論教學與實踐教學相互穿插，當學生掌握了基本的體系結(jié)構(gòu)以及匯編語言后便可以進行簡單的實訓，讓學生能夠及時地看到學習成效。在虛擬結(jié)合教學方法中，老師要引導(dǎo)學生對比虛擬仿真與硬件電路實訓的差異，分析各自的特點，結(jié)合學生的各自興趣來培養(yǎng)特長，拓寬學生的學習層面，將單片機與相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，通過典型的案例將所學知識進行貫通。

7? ? 結(jié)語

單片機屬于現(xiàn)代電子技術(shù)的新興領(lǐng)域，單片機的出現(xiàn)促進了電子工業(yè)的發(fā)展。單片機課程實踐性很強，并且運用過程以及內(nèi)部構(gòu)造都比較抽象，傳統(tǒng)的教學模式很難提高教學質(zhì)量。在單片機教學中，運用虛擬仿真技術(shù)能夠讓學生與現(xiàn)代信息技術(shù)下的硬件與軟件系統(tǒng)充分接觸，通過仿真技術(shù)將抽象的理論知識進行形象化，幫助學生深入理解單片機的結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點在于不會受到硬件實驗資源的限制，學生可以隨時隨地地進行實踐，經(jīng)過教師的正確指導(dǎo)來完成各類項目任務(wù)，從而提升教學效果。

[參考文獻]

[1]程藝苑，李根全，姬曉旭，等.虛擬仿真技術(shù)在《單片機原理及其應(yīng)用》教學中的應(yīng)用[J].南陽師范學院學報，2018（4）：58-61.

[2]周克輝.虛擬仿真技術(shù)在高職單片機課程教學中的應(yīng)用與實踐[J].電子測試，2018（16）：119-120.

[3]胡克滿，胡海燕.虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)在單片機技術(shù)課程教學中的應(yīng)用研究[J].模具工業(yè)，2017（5）：66-67.

[4]王? ?瑾，袁戰(zhàn)軍.虛擬仿真技術(shù)在單片機課程教學中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2016（1）：45-47.

[5]金國華，翟朝霞，周麗娜，等.Proteus和Keil軟件在單片機理論與實踐教學中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（3）：43-45.