計算機教學實踐論文：Proteus虛擬實驗環(huán)境在單片機教學中的應用

1、計算機教學實踐論文：Proteus虛擬實驗環(huán)境在單片機教學中的應用摘要:結(jié)合計算機專業(yè)單片機教學實踐,分析基于Proteus軟件搭建的虛擬實驗環(huán)境在單片機教學中的應用優(yōu)勢,闡述如何合理地應用虛擬實驗環(huán)境改進課堂教學和實踐教學,指出虛擬實驗環(huán)境應用中存在的某些誤區(qū)及應注意的問題。 關(guān)鍵字:單片機; Proteus;仿真;虛擬實驗環(huán)境;教學改革 計算機專業(yè)的單片機系統(tǒng)及應用課程,是從MCU為核心的系統(tǒng)入手,使學生掌握單片機及嵌入式系統(tǒng)設計中各類實用性硬件模塊的軟、硬件設計方法的一門實用課程。初次接觸單片機知識的學生普遍感覺,該課程中有關(guān)硬件設計的概念、思路、方法等過于抽象、難以理解和接受,因此,如

2、何應用新技術(shù)改革課程的教學方法,改變課程難教、難學的教學現(xiàn)狀,成為單片機課程教學研究的重要內(nèi)容。 1Proteus虛擬實驗環(huán)境 單片機課程的實踐教學環(huán)節(jié)主要依靠傳統(tǒng)的硬件實驗平臺完成,而隨著計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展,將虛擬實驗環(huán)境引入單片機教學,作為改善課堂教學和實踐教學的有利手段,已得到了廣泛的應用。 所謂“虛擬實驗環(huán)境”,就是將計算機上的各種虛擬儀器,按實驗要求和設計原理,虛擬出與現(xiàn)實相同的實驗系統(tǒng),進而在這個軟件系統(tǒng)上完成整個實驗,由此可見,虛擬實驗環(huán)境搭建的關(guān)鍵是合理地選用支持仿真功能的EDA軟件1。Proteus電路設計與實物仿真軟件具有電路原理圖(SCH)和印刷電路板圖(PCB)

3、的設計功能;支持主流單片機系列和常用器件的仿真庫,能夠形象地顯示電路動態(tài)運行效果;提供多種虛擬儀器儀表,能夠?qū)Ψ抡孢\行狀態(tài)的電路進行即時測量,方便電路的設計與調(diào)試;自帶匯編編譯器,且提供編譯器接口,能夠與ADS、KEIL等多種專業(yè)編程調(diào)試工具進行連接,通過在原理圖中的MCU器件上加載編譯通過的目標代碼,可以在沒有實際電路的情況下,進行系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)合調(diào)試,非常適用于單片機等硬件課程的實踐教學,采用該軟件與KEIL等集成開發(fā)工具共同搭建的虛擬實驗環(huán)境,已在單片機教學中得到了廣泛的認可。 2采用虛擬實驗環(huán)境提高單片機教學效果 2.1激發(fā)學生學習興趣 單片機課程作為一門偏重硬件系統(tǒng)設計的課程,從基

4、礎理論到工程應用,涉及到方方面面的知識,最初接觸該課程,學生通常缺乏感性認識,難以理解,容易產(chǎn)生抵觸情緒和挫敗感,從而喪失對課程的學習興趣。如果能夠發(fā)揮Proteus動態(tài)仿真的優(yōu)勢,通過研究教學內(nèi)容,針對知識點進行拆分和綜合,設計針對基礎知識點的模塊仿真演示實例和階段性應用系統(tǒng)演示實例(如圖1所示),并將其應用于課堂教學,就可利用現(xiàn)有的多媒體教學資源,提高課堂教學質(zhì)量。在教學過程的安排上,每個單元開講之初,首先使用Proteus演示有針對性的綜合系統(tǒng)仿真實例,創(chuàng)設教學情景,形象地展現(xiàn)各個硬件模塊的作用及構(gòu)建系統(tǒng)的方法,這樣既能抓住學生的好奇心,使學生對所學知識的用處產(chǎn)生直觀的認識,激發(fā)學習興趣

5、,又可以培養(yǎng)學生整機設計的概念和思維方式。在單元模塊教學中,邊講解原理性基礎知識,邊利用相應的仿真演示實例針對每個基礎硬件模塊的硬件連線和軟件編程進行隨堂演示,做到課堂教學既有理論支撐又有實踐證明,這可以增加課堂上師生之間的互動,將更多的工程實踐知識融入到課堂教學中,在很大程度上提高了學生對課堂知識的理解和應用能力。 2.2優(yōu)化實踐教學模式 對于單片機技術(shù)這樣的系統(tǒng)應用型專業(yè)課程,應該給予學生充分的實踐鍛煉機會,使他們在實際動手的過程中,鞏固理論知識,掌握解決問題的方法,培養(yǎng)設計能力和創(chuàng)新意識,成為可直接進入工程崗位的應用型人才。 在單片機實踐教學中引入虛擬實驗環(huán)境,能夠在以下方面彌補傳統(tǒng)硬件

6、實驗平臺的不足。首先,硬件實驗臺支持的電路模塊固定、缺乏靈活性,能夠開出的實驗項目有限,而虛擬實驗環(huán)境支持的仿真器件比較全面,且可以不斷更新,這使得課程實驗項目能夠緊跟工程技術(shù)的發(fā)展,不斷地進行調(diào)整和優(yōu)化,使學生學到更多的實用技術(shù)。其次,采用硬件實驗平臺進行實驗的過程大多由電路連線、下載給定程序、觀察實驗結(jié)果等幾步組成,實驗過程和方法都非常簡單,往往只適合開出驗證性實驗,與實際工程開發(fā)脫節(jié)較大,難以達到學習的目的。而采用虛擬實驗環(huán)境進行實驗,學生首先要在理解硬件模塊設計原理的基礎上進行電路原理圖的繪制,而后編寫屬于自己的控制程序,加載、仿真運行,對電路和程序進行反復調(diào)試,才能完成一次完整的實驗

7、。這樣的實驗過程非常接近于實際系統(tǒng)的開發(fā)過程,因此更有利于學生理解和掌握單片機系統(tǒng)設計的原理和方法。再者,還可利用虛擬實驗環(huán)境開設單片機課程設計,在課程設計中通常要求學生進行完整的綜合性應用系統(tǒng)設計,使用硬件實驗臺模塊組合往往難以達到功能要求,而采用繪制原理圖-制板-焊接電路板-調(diào)試電路板-編寫控制程序-在電路板上下載調(diào)試程序的設計方法,存在設計周期長、成本高的問題,在實際教學中實施難度較大。如果采用虛擬實驗環(huán)境,就可以在沒有實際電路的情況下,利用仿真環(huán)境和仿真儀器儀表進行電路和程序的調(diào)試,對設計的限制少,給學生的發(fā)揮空間大,易于在實踐教學中采用。最后,虛擬實驗環(huán)境的搭建只需要在一臺計算機上安

8、裝Proteus和KEIL等編程工具即可,便于學生的課外自學提高,有效地解決實踐教學學時有限的問題,為學生更多的實踐鍛煉和知識探索提供了有利的條件。 在單片機實踐教學中,合理地應用虛擬實驗環(huán)境為實現(xiàn)“實驗課-設計課-開放實驗室相結(jié)合”的多種實踐教學形式,開設“驗證性-設計性-綜合性-探索性”多層次的實踐內(nèi)容提供了可行的實施方法,結(jié)合實驗/實踐項目的重新設計以及對新型實踐教學模式的探索,能夠更好地完成課程對學生工程技能的培養(yǎng)。 2.3改進成績評價方式 為課程建立良好的成績評價方式,使其成為一種有效的激勵機制,有利于激發(fā)學生的學習熱情,端正學習態(tài)度,獲得更好的學習效果。通過單片機課程的學習,學生應

9、在掌握理論知識的基礎上,經(jīng)過實踐鍛煉,具備分析、解決問題的能力,能夠從事實際單片機系統(tǒng)設計工作。因此,課程的考查方式應能激勵學生注重平時學習過程中知識的積累和能力的鍛煉,而不是臨時突擊得到一個好成績。 在教學過程中,采用的課程最終成績評價由平時成績和期末考試成績兩部分組成,平時成績根據(jù)學生在每次實驗課和課程設計中的表現(xiàn)進行評定,使學生能夠認真對待課程學習的每一部分,而期末考試應該能體現(xiàn)出學生的最終學習效果,成為督促學生學習的一種良好的互動。在以往的教學中,由于單片機課程與編程類課程不同,涉及到系統(tǒng)軟、硬件實現(xiàn),很難采用上機考試的形式,因此,期末考試只能選擇筆試或者大作業(yè)的形式,但對于注重實踐能

10、力的單片機課程,采用偏重理論的筆試形式難以考查學生的實際動手能力,而大作業(yè)又很難杜絕抄襲問題,使考試失去意義。采用Proteus虛擬實驗環(huán)境后,這一問題得到解決,教師可預先設計多道難度相當、具有一定綜合性的設計題目,考試時,要求學生在規(guī)定時間內(nèi),通過虛擬實驗環(huán)境完成隨機抽取的題目,包括系統(tǒng)的硬件電路連接、軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試,教師根據(jù)學生在此過程中的表現(xiàn)和系統(tǒng)仿真演示效果給予成績。這樣的考試形式能夠有效地反映出學生對基礎理論和工程技能的掌握及應用能力,有利于倡導學生注重日常的學習和積累,穩(wěn)扎穩(wěn)打,真正達到課程學習的目的。 3應用虛擬實驗教學環(huán)境應注意的幾個問題 3.1應使學生認識到系統(tǒng)仿真與實際

11、電路之間的差異Proteus虛擬實驗環(huán)境的確為學習單片機系統(tǒng)設計帶來方便,在不具備真實電路的情況下,即可通過動態(tài)仿真進行控制程序的開發(fā)、調(diào)試,但與此同時,應充分的認識到仿真與實際電路之間存在一定差異。實際電路運行時表現(xiàn)出的各種電氣特征是由芯片、元器件、電路連線、運行環(huán)境等多種因素共同決定的,而Proteus則是通過軟件模擬這些電路特性,其表現(xiàn)取決于仿真軟件設計、計算機運算速度等因素,因此在Proteus環(huán)境下能夠正常運行的單片機系統(tǒng),其電路設計未必能夠進行實際應用。例如,MCU仿真器件的IO口對外部器件的驅(qū)動能力與實際芯片有差別,造成了上/下拉電路設計不準確;由于仿真步進速度的限制,造成了七段

12、數(shù)碼管動態(tài)刷新不穩(wěn)定等情況。對于有經(jīng)驗的工程師,這些問題不會對項目的開發(fā)造成影響,但對于初次接觸單片機技術(shù)的學生,如果習慣以Proteus的仿真效果作為判斷硬件電路設計是否可用的標準,就可能導致錯誤的認識,養(yǎng)成不良的設計習慣,不利于他們以后從事實際電路的開發(fā)工作。因此在應用Proteus虛擬實驗環(huán)境進行單片機教學時,指導教師應非常熟悉Proteus的特性,并具備足夠的實際工程開發(fā)經(jīng)驗,對哪些情況下Proteus仿真存在誤差有充分的了解,能夠結(jié)合硬件實驗臺的實際電路對其做出強調(diào)說明,以避免這一問題對教學造成負面影響。 3.2應使學生了解Proteus與其他常用EDA工具之間的差別 在課程實踐的過

13、程中,學生通過使用Proteus能夠?qū)W習到如何進行電路原理圖及印刷電路板圖設計的工程技能。實際上,由于各種EDA工具功能的側(cè)重點有所不同,在實際工程中的也有不同的應用。相比Protel、ORCAD、powerPCB等,Proteus更加注重于系統(tǒng)的軟、硬件動態(tài)仿真,因此在項目開發(fā)中,用于系統(tǒng)的整合實驗,而不是系統(tǒng)的設計。使學生了解Proteus與常用主流EDA工具之間存在的一些差別,使教學更接近工程實踐,能夠為其在踏上工作崗位面對實際項目開發(fā)時,盡快消除電路圖理解和繪制方面的障礙,掌握相關(guān)EDA工具打下良好的基礎。 1)Proteus的ISIS工具不提供器件設計功能,因此限制了器件的使用。在實

14、際工程設計中,往往需要根據(jù)項目的需要,尋找性價比最高的器件進行系統(tǒng)設計,而器件庫中不可能包含市面上可見的全部器件,這就使得Proteus在實際開發(fā)中的應用受到限制。 2)Proteus中整合器件和功能器件的使用。Proteus為了支持更加便利的實驗和動態(tài)仿真功能,提供了一些整合器件,比如交通燈(Traffic Light),以及沒有具體型號的功能器件,比如放大器(OPMAP)。但實際系統(tǒng)開發(fā)過程中,使用EDA工具進行電路設計時,必須根據(jù)需求,明確每個元器件的型號和類型,才能完成系統(tǒng)的實現(xiàn)。因此在使用Proteus時,應該盡量使學生認識到這個問題,減少這類器件的使用。 3) 國內(nèi)制板產(chǎn)商不支持P

15、roteus的ARES工具繪制的PCB板圖,因此在實踐教學中,如果需要進行電路實現(xiàn),應盡量使學生選用其他EDA工具完成電路原理圖及相應PCB板圖的設計。 3.3應使學生意識到學習的過程比演示效果更重要 Proteus虛擬實驗環(huán)境的動態(tài)演示效果能夠使抽象、枯燥的硬件知識變得具體而生動,在很大程度上激發(fā)了學生的學習興趣,提高了學習的積極性,與此同時,它也可能帶來負面影響。在教學中,我們發(fā)現(xiàn)很多學生在使用Proteus進行單片機學習時,過于關(guān)注系統(tǒng)仿真的動態(tài)效果并單純地以此作為判斷系統(tǒng)設計是否合理的依據(jù),造成了學習中的另一個誤區(qū)。如果僅以仿真演示效果作為實驗目標,一方面使得學生在使用Proteus進行電路設計時,可能對電路設計原理不求甚解,積累了錯誤的基礎知識。如圖2(a)所示的單鍵驅(qū)動電路,由于51的P1口內(nèi)帶有上拉,Proteus仿真時能夠正常地識別按鍵狀態(tài),但實際上,該電路中上拉電阻的位置有誤,不符合邏輯。另一方面,由于電路的邏輯正確性與連線的規(guī)范化無關(guān),很多學生在繪制電路原理圖的過程中不注意養(yǎng)成良好的設計習慣,管腳間的連線繁雜、混亂,造成了原理圖可讀性非常差。因此,在使用Proteus教學時,應使學生認識到Proteus本身只是一種實驗工具,是用于幫助大家理解單片機系統(tǒng)設計原理、培養(yǎng)設計思路和能力的一個工具,系統(tǒng)設計的合理性最終還是要