計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)踐論文：Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)踐論文：Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用摘要:結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐,分析基于Proteus軟件搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),闡述如何合理地應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境改進(jìn)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué),指出虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)用中存在的某些誤區(qū)及應(yīng)注意的問題。 關(guān)鍵字:單片機(jī); Proteus;仿真;虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境;教學(xué)改革 計(jì)算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用課程,是從MCU為核心的系統(tǒng)入手,使學(xué)生掌握單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各類實(shí)用性硬件模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)方法的一門實(shí)用課程。初次接觸單片機(jī)知識(shí)的學(xué)生普遍感覺,該課程中有關(guān)硬件設(shè)計(jì)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(yīng)用新技術(shù)改革課程的教學(xué)方法,改變課程難教、難學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀,成為單片機(jī)課程教學(xué)研究的重要內(nèi)容。 1Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境 單片機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要依靠傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成,而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展,將虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境引入單片機(jī)教學(xué),作為改善課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有利手段,已得到了廣泛的應(yīng)用。 所謂“虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境”,就是將計(jì)算機(jī)上的各種虛擬儀器,按實(shí)驗(yàn)要求和設(shè)計(jì)原理,虛擬出與現(xiàn)實(shí)相同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)而在這個(gè)軟件系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn),由此可見,虛擬實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)與實(shí)物仿真軟件具有電路原理圖(SCH)和印刷電路板圖(PCB)

3、的設(shè)計(jì)功能;支持主流單片機(jī)系列和常用器件的仿真庫,能夠形象地顯示電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果;提供多種虛擬儀器儀表,能夠?qū)Ψ抡孢\(yùn)行狀態(tài)的電路進(jìn)行即時(shí)測(cè)量,方便電路的設(shè)計(jì)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(jìn)行連接,通過在原理圖中的MCU器件上加載編譯通過的目標(biāo)代碼,可以在沒有實(shí)際電路的情況下,進(jìn)行系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)合調(diào)試,非常適用于單片機(jī)等硬件課程的實(shí)踐教學(xué),采用該軟件與KEIL等集成開發(fā)工具共同搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,已在單片機(jī)教學(xué)中得到了廣泛的認(rèn)可。 2采用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境提高單片機(jī)教學(xué)效果 2.1激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣 單片機(jī)課程作為一門偏重硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程,從基

4、礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用,涉及到方方面面的知識(shí),最初接觸該課程,學(xué)生通常缺乏感性認(rèn)識(shí),難以理解,容易產(chǎn)生抵觸情緒和挫敗感,從而喪失對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。如果能夠發(fā)揮Proteus動(dòng)態(tài)仿真的優(yōu)勢(shì),通過研究教學(xué)內(nèi)容,針對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拆分和綜合,設(shè)計(jì)針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的模塊仿真演示實(shí)例和階段性應(yīng)用系統(tǒng)演示實(shí)例(如圖1所示),并將其應(yīng)用于課堂教學(xué),就可利用現(xiàn)有的多媒體教學(xué)資源,提高課堂教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)過程的安排上,每個(gè)單元開講之初,首先使用Proteus演示有針對(duì)性的綜合系統(tǒng)仿真實(shí)例,創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景,形象地展現(xiàn)各個(gè)硬件模塊的作用及構(gòu)建系統(tǒng)的方法,這樣既能抓住學(xué)生的好奇心,使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的用處產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

5、,又可以培養(yǎng)學(xué)生整機(jī)設(shè)計(jì)的概念和思維方式。在單元模塊教學(xué)中,邊講解原理性基礎(chǔ)知識(shí),邊利用相應(yīng)的仿真演示實(shí)例針對(duì)每個(gè)基礎(chǔ)硬件模塊的硬件連線和軟件編程進(jìn)行隨堂演示,做到課堂教學(xué)既有理論支撐又有實(shí)踐證明,這可以增加課堂上師生之間的互動(dòng),將更多的工程實(shí)踐知識(shí)融入到課堂教學(xué)中,在很大程度上提高了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。 2.2優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)模式 對(duì)于單片機(jī)技術(shù)這樣的系統(tǒng)應(yīng)用型專業(yè)課程,應(yīng)該給予學(xué)生充分的實(shí)踐鍛煉機(jī)會(huì),使他們?cè)趯?shí)際動(dòng)手的過程中,鞏固理論知識(shí),掌握解決問題的方法,培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí),成為可直接進(jìn)入工程崗位的應(yīng)用型人才。 在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,能夠在以下方面彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件

6、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足。首先,硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)支持的電路模塊固定、缺乏靈活性,能夠開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限,而虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠緊跟工程技術(shù)的發(fā)展,不斷地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,使學(xué)生學(xué)到更多的實(shí)用技術(shù)。其次,采用硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程大多由電路連線、下載給定程序、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果等幾步組成,實(shí)驗(yàn)過程和方法都非常簡(jiǎn)單,往往只適合開出驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),與實(shí)際工程開發(fā)脫節(jié)較大,難以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。而采用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn),學(xué)生首先要在理解硬件模塊設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)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(yùn)行,對(duì)電路和程序進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,才能完成一次完整的實(shí)驗(yàn)

7、。這樣的實(shí)驗(yàn)過程非常接近于實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)過程,因此更有利于學(xué)生理解和掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法。再者,還可利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境開設(shè)單片機(jī)課程設(shè)計(jì),在課程設(shè)計(jì)中通常要求學(xué)生進(jìn)行完整的綜合性應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),使用硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊組合往往難以達(dá)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(shè)計(jì)方法,存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高的問題,在實(shí)際教學(xué)中實(shí)施難度較大。如果采用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,就可以在沒有實(shí)際電路的情況下,利用仿真環(huán)境和仿真儀器儀表進(jìn)行電路和程序的調(diào)試,對(duì)設(shè)計(jì)的限制少,給學(xué)生的發(fā)揮空間大,易于在實(shí)踐教學(xué)中采用。最后,虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建只需要在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安

8、裝Proteus和KEIL等編程工具即可,便于學(xué)生的課外自學(xué)提高,有效地解決實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)有限的問題,為學(xué)生更多的實(shí)踐鍛煉和知識(shí)探索提供了有利的條件。 在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中,合理地應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境為實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)課-設(shè)計(jì)課-開放實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合”的多種實(shí)踐教學(xué)形式,開設(shè)“驗(yàn)證性-設(shè)計(jì)性-綜合性-探索性”多層次的實(shí)踐內(nèi)容提供了可行的實(shí)施方法,結(jié)合實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐項(xiàng)目的重新設(shè)計(jì)以及對(duì)新型實(shí)踐教學(xué)模式的探索,能夠更好地完成課程對(duì)學(xué)生工程技能的培養(yǎng)。 2.3改進(jìn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式 為課程建立良好的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式,使其成為一種有效的激勵(lì)機(jī)制,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,端正學(xué)習(xí)態(tài)度,獲得更好的學(xué)習(xí)效果。通過單片機(jī)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)

9、在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過實(shí)踐鍛煉,具備分析、解決問題的能力,能夠從事實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。因此,課程的考查方式應(yīng)能激勵(lì)學(xué)生注重平時(shí)學(xué)習(xí)過程中知識(shí)的積累和能力的鍛煉,而不是臨時(shí)突擊得到一個(gè)好成績(jī)。 在教學(xué)過程中,采用的課程最終成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)兩部分組成,平時(shí)成績(jī)根據(jù)學(xué)生在每次實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)定,使學(xué)生能夠認(rèn)真對(duì)待課程學(xué)習(xí)的每一部分,而期末考試應(yīng)該能體現(xiàn)出學(xué)生的最終學(xué)習(xí)效果,成為督促學(xué)生學(xué)習(xí)的一種良好的互動(dòng)。在以往的教學(xué)中,由于單片機(jī)課程與編程類課程不同,涉及到系統(tǒng)軟、硬件實(shí)現(xiàn),很難采用上機(jī)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(duì)于注重實(shí)踐能

10、力的單片機(jī)課程,采用偏重理論的筆試形式難以考查學(xué)生的實(shí)際動(dòng)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(shí)驗(yàn)環(huán)境后,這一問題得到解決,教師可預(yù)先設(shè)計(jì)多道難度相當(dāng)、具有一定綜合性的設(shè)計(jì)題目,考試時(shí),要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi),通過虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成隨機(jī)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(xué)生在此過程中的表現(xiàn)和系統(tǒng)仿真演示效果給予成績(jī)。這樣的考試形式能夠有效地反映出學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論和工程技能的掌握及應(yīng)用能力,有利于倡導(dǎo)學(xué)生注重日常的學(xué)習(xí)和積累,穩(wěn)扎穩(wěn)打,真正達(dá)到課程學(xué)習(xí)的目的。 3應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境應(yīng)注意的幾個(gè)問題 3.1應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)仿真與實(shí)際

11、電路之間的差異Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的確為學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來方便,在不具備真實(shí)電路的情況下,即可通過動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行控制程序的開發(fā)、調(diào)試,但與此同時(shí),應(yīng)充分的認(rèn)識(shí)到仿真與實(shí)際電路之間存在一定差異。實(shí)際電路運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出的各種電氣特征是由芯片、元器件、電路連線、運(yùn)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(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度等因素,因此在Proteus環(huán)境下能夠正常運(yùn)行的單片機(jī)系統(tǒng),其電路設(shè)計(jì)未必能夠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。例如,MCU仿真器件的IO口對(duì)外部器件的驅(qū)動(dòng)能力與實(shí)際芯片有差別,造成了上/下拉電路設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確;由于仿真步進(jìn)速度的限制,造成了七段

12、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)刷新不穩(wěn)定等情況。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師,這些問題不會(huì)對(duì)項(xiàng)目的開發(fā)造成影響,但對(duì)于初次接觸單片機(jī)技術(shù)的學(xué)生,如果習(xí)慣以Proteus的仿真效果作為判斷硬件電路設(shè)計(jì)是否可用的標(biāo)準(zhǔn),就可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),養(yǎng)成不良的設(shè)計(jì)習(xí)慣,不利于他們以后從事實(shí)際電路的開發(fā)工作。因此在應(yīng)用Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)時(shí),指導(dǎo)教師應(yīng)非常熟悉Proteus的特性,并具備足夠的實(shí)際工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn),對(duì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際電路對(duì)其做出強(qiáng)調(diào)說明,以避免這一問題對(duì)教學(xué)造成負(fù)面影響。 3.2應(yīng)使學(xué)生了解Proteus與其他常用EDA工具之間的差別 在課程實(shí)踐的過

13、程中,學(xué)生通過使用Proteus能夠?qū)W習(xí)到如何進(jìn)行電路原理圖及印刷電路板圖設(shè)計(jì)的工程技能。實(shí)際上,由于各種EDA工具功能的側(cè)重點(diǎn)有所不同,在實(shí)際工程中的也有不同的應(yīng)用。相比Protel、ORCAD、powerPCB等,Proteus更加注重于系統(tǒng)的軟、硬件動(dòng)態(tài)仿真,因此在項(xiàng)目開發(fā)中,用于系統(tǒng)的整合實(shí)驗(yàn),而不是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使學(xué)生了解Proteus與常用主流EDA工具之間存在的一些差別,使教學(xué)更接近工程實(shí)踐,能夠?yàn)槠湓谔ど瞎ぷ鲘徫幻鎸?duì)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)時(shí),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(chǔ)。 1)Proteus的ISIS工具不提供器件設(shè)計(jì)功能,因此限制了器件的使用。在實(shí)

14、際工程設(shè)計(jì)中,往往需要根據(jù)項(xiàng)目的需要,尋找性價(jià)比最高的器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(shí)際開發(fā)中的應(yīng)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(shí)驗(yàn)和動(dòng)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(hào)的功能器件,比如放大器(OPMAP)。但實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)過程中,使用EDA工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),必須根據(jù)需求,明確每個(gè)元器件的型號(hào)和類型,才能完成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。因此在使用Proteus時(shí),應(yīng)該盡量使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這個(gè)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(shí)踐教學(xué)中,如果需要進(jìn)行電路實(shí)現(xiàn),應(yīng)盡量使學(xué)生選用其他EDA工具完成電路原理圖及相應(yīng)PCB板圖的設(shè)計(jì)。 3.3應(yīng)使學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)的過程比演示效果更重要 Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)演示效果能夠使抽象、枯燥的硬件知識(shí)變得具體而生動(dòng),在很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)習(xí)的積極性,與此同時(shí),它也可能帶來負(fù)面影響。在教學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在使用Proteus進(jìn)行單片機(jī)學(xué)習(xí)時(shí),過于關(guān)注系統(tǒng)仿真的動(dòng)態(tài)效果并單純地以此作為判斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理的依據(jù),造成了學(xué)習(xí)中的另一個(gè)誤區(qū)。如果僅以仿真演示效果作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),一方面使得學(xué)生在使用Proteus進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),可能對(duì)電路設(shè)計(jì)原理不求甚解,積累了錯(cuò)誤的基礎(chǔ)知識(shí)。如圖2(a)所示的單鍵驅(qū)動(dòng)電路,由于51的P1口內(nèi)帶有上拉,Proteus仿真時(shí)能夠正常地識(shí)別按鍵狀態(tài),但實(shí)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(xué)生在繪制電路原理圖的過程中不注意養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)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(xué)時(shí),應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到Proteus本身只是一種實(shí)驗(yàn)工具,是用于幫助大家理解單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、培養(yǎng)設(shè)計(jì)思路和能力的一個(gè)工具,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性最終還是要