计算机教学实践论文：Proteus虚拟实验环境在单片机教学中的应用

1、计算机教学实践论文：Proteus虚拟实验环境在单片机教学中的应用摘要:结合计算机专业单片机教学实践,分析基于Proteus软件搭建的虚拟实验环境在单片机教学中的应用优势,阐述如何合理地应用虚拟实验环境改进课堂教学和实践教学,指出虚拟实验环境应用中存在的某些误区及应注意的问题。 关键字:单片机; Proteus;仿真;虚拟实验环境;教学改革 计算机专业的单片机系统及应用课程,是从MCU为核心的系统入手,使学生掌握单片机及嵌入式系统设计中各类实用性硬件模块的软、硬件设计方法的一门实用课程。初次接触单片机知识的学生普遍感觉,该课程中有关硬件设计的概念、思路、方法等过于抽象、难以理解和接受,因此,如

2、何应用新技术改革课程的教学方法,改变课程难教、难学的教学现状,成为单片机课程教学研究的重要内容。 1Proteus虚拟实验环境 单片机课程的实践教学环节主要依靠传统的硬件实验平台完成,而随着计算机技术和软件技术的发展,将虚拟实验环境引入单片机教学,作为改善课堂教学和实践教学的有利手段,已得到了广泛的应用。 所谓“虚拟实验环境”,就是将计算机上的各种虚拟仪器,按实验要求和设计原理,虚拟出与现实相同的实验系统,进而在这个软件系统上完成整个实验,由此可见,虚拟实验环境搭建的关键是合理地选用支持仿真功能的EDA软件1。Proteus电路设计与实物仿真软件具有电路原理图(SCH)和印刷电路板图(PCB)

3、的设计功能;支持主流单片机系列和常用器件的仿真库,能够形象地显示电路动态运行效果;提供多种虚拟仪器仪表,能够对仿真运行状态的电路进行即时测量,方便电路的设计与调试;自带汇编编译器,且提供编译器接口,能够与ADS、KEIL等多种专业编程调试工具进行连接,通过在原理图中的MCU器件上加载编译通过的目标代码,可以在没有实际电路的情况下,进行系统的软、硬件联合调试,非常适用于单片机等硬件课程的实践教学,采用该软件与KEIL等集成开发工具共同搭建的虚拟实验环境,已在单片机教学中得到了广泛的认可。 2采用虚拟实验环境提高单片机教学效果 2.1激发学生学习兴趣 单片机课程作为一门偏重硬件系统设计的课程,从基

4、础理论到工程应用,涉及到方方面面的知识,最初接触该课程,学生通常缺乏感性认识,难以理解,容易产生抵触情绪和挫败感,从而丧失对课程的学习兴趣。如果能够发挥Proteus动态仿真的优势,通过研究教学内容,针对知识点进行拆分和综合,设计针对基础知识点的模块仿真演示实例和阶段性应用系统演示实例(如图1所示),并将其应用于课堂教学,就可利用现有的多媒体教学资源,提高课堂教学质量。在教学过程的安排上,每个单元开讲之初,首先使用Proteus演示有针对性的综合系统仿真实例,创设教学情景,形象地展现各个硬件模块的作用及构建系统的方法,这样既能抓住学生的好奇心,使学生对所学知识的用处产生直观的认识,激发学习兴趣

5、,又可以培养学生整机设计的概念和思维方式。在单元模块教学中,边讲解原理性基础知识,边利用相应的仿真演示实例针对每个基础硬件模块的硬件连线和软件编程进行随堂演示,做到课堂教学既有理论支撑又有实践证明,这可以增加课堂上师生之间的互动,将更多的工程实践知识融入到课堂教学中,在很大程度上提高了学生对课堂知识的理解和应用能力。 2.2优化实践教学模式 对于单片机技术这样的系统应用型专业课程,应该给予学生充分的实践锻炼机会,使他们在实际动手的过程中,巩固理论知识,掌握解决问题的方法,培养设计能力和创新意识,成为可直接进入工程岗位的应用型人才。 在单片机实践教学中引入虚拟实验环境,能够在以下方面弥补传统硬件

6、实验平台的不足。首先,硬件实验台支持的电路模块固定、缺乏灵活性,能够开出的实验项目有限,而虚拟实验环境支持的仿真器件比较全面,且可以不断更新,这使得课程实验项目能够紧跟工程技术的发展,不断地进行调整和优化,使学生学到更多的实用技术。其次,采用硬件实验平台进行实验的过程大多由电路连线、下载给定程序、观察实验结果等几步组成,实验过程和方法都非常简单,往往只适合开出验证性实验,与实际工程开发脱节较大,难以达到学习的目的。而采用虚拟实验环境进行实验,学生首先要在理解硬件模块设计原理的基础上进行电路原理图的绘制,而后编写属于自己的控制程序,加载、仿真运行,对电路和程序进行反复调试,才能完成一次完整的实验

7、。这样的实验过程非常接近于实际系统的开发过程,因此更有利于学生理解和掌握单片机系统设计的原理和方法。再者,还可利用虚拟实验环境开设单片机课程设计,在课程设计中通常要求学生进行完整的综合性应用系统设计,使用硬件实验台模块组合往往难以达到功能要求,而采用绘制原理图-制板-焊接电路板-调试电路板-编写控制程序-在电路板上下载调试程序的设计方法,存在设计周期长、成本高的问题,在实际教学中实施难度较大。如果采用虚拟实验环境,就可以在没有实际电路的情况下,利用仿真环境和仿真仪器仪表进行电路和程序的调试,对设计的限制少,给学生的发挥空间大,易于在实践教学中采用。最后,虚拟实验环境的搭建只需要在一台计算机上安

8、装Proteus和KEIL等编程工具即可,便于学生的课外自学提高,有效地解决实践教学学时有限的问题,为学生更多的实践锻炼和知识探索提供了有利的条件。 在单片机实践教学中,合理地应用虚拟实验环境为实现“实验课-设计课-开放实验室相结合”的多种实践教学形式,开设“验证性-设计性-综合性-探索性”多层次的实践内容提供了可行的实施方法,结合实验/实践项目的重新设计以及对新型实践教学模式的探索,能够更好地完成课程对学生工程技能的培养。 2.3改进成绩评价方式 为课程建立良好的成绩评价方式,使其成为一种有效的激励机制,有利于激发学生的学习热情,端正学习态度,获得更好的学习效果。通过单片机课程的学习,学生应

9、在掌握理论知识的基础上,经过实践锻炼,具备分析、解决问题的能力,能够从事实际单片机系统设计工作。因此,课程的考查方式应能激励学生注重平时学习过程中知识的积累和能力的锻炼,而不是临时突击得到一个好成绩。 在教学过程中,采用的课程最终成绩评价由平时成绩和期末考试成绩两部分组成,平时成绩根据学生在每次实验课和课程设计中的表现进行评定,使学生能够认真对待课程学习的每一部分,而期末考试应该能体现出学生的最终学习效果,成为督促学生学习的一种良好的互动。在以往的教学中,由于单片机课程与编程类课程不同,涉及到系统软、硬件实现,很难采用上机考试的形式,因此,期末考试只能选择笔试或者大作业的形式,但对于注重实践能

10、力的单片机课程,采用偏重理论的笔试形式难以考查学生的实际动手能力,而大作业又很难杜绝抄袭问题,使考试失去意义。采用Proteus虚拟实验环境后,这一问题得到解决,教师可预先设计多道难度相当、具有一定综合性的设计题目,考试时,要求学生在规定时间内,通过虚拟实验环境完成随机抽取的题目,包括系统的硬件电路连接、软件编程和系统调试,教师根据学生在此过程中的表现和系统仿真演示效果给予成绩。这样的考试形式能够有效地反映出学生对基础理论和工程技能的掌握及应用能力,有利于倡导学生注重日常的学习和积累,稳扎稳打,真正达到课程学习的目的。 3应用虚拟实验教学环境应注意的几个问题 3.1应使学生认识到系统仿真与实际

11、电路之间的差异Proteus虚拟实验环境的确为学习单片机系统设计带来方便,在不具备真实电路的情况下,即可通过动态仿真进行控制程序的开发、调试,但与此同时,应充分的认识到仿真与实际电路之间存在一定差异。实际电路运行时表现出的各种电气特征是由芯片、元器件、电路连线、运行环境等多种因素共同决定的,而Proteus则是通过软件模拟这些电路特性,其表现取决于仿真软件设计、计算机运算速度等因素,因此在Proteus环境下能够正常运行的单片机系统,其电路设计未必能够进行实际应用。例如,MCU仿真器件的IO口对外部器件的驱动能力与实际芯片有差别,造成了上/下拉电路设计不准确;由于仿真步进速度的限制,造成了七段

12、数码管动态刷新不稳定等情况。对于有经验的工程师,这些问题不会对项目的开发造成影响,但对于初次接触单片机技术的学生,如果习惯以Proteus的仿真效果作为判断硬件电路设计是否可用的标准,就可能导致错误的认识,养成不良的设计习惯,不利于他们以后从事实际电路的开发工作。因此在应用Proteus虚拟实验环境进行单片机教学时,指导教师应非常熟悉Proteus的特性,并具备足够的实际工程开发经验,对哪些情况下Proteus仿真存在误差有充分的了解,能够结合硬件实验台的实际电路对其做出强调说明,以避免这一问题对教学造成负面影响。 3.2应使学生了解Proteus与其他常用EDA工具之间的差别 在课程实践的过

13、程中,学生通过使用Proteus能够学习到如何进行电路原理图及印刷电路板图设计的工程技能。实际上,由于各种EDA工具功能的侧重点有所不同,在实际工程中的也有不同的应用。相比Protel、ORCAD、powerPCB等,Proteus更加注重于系统的软、硬件动态仿真,因此在项目开发中,用于系统的整合实验,而不是系统的设计。使学生了解Proteus与常用主流EDA工具之间存在的一些差别,使教学更接近工程实践,能够为其在踏上工作岗位面对实际项目开发时,尽快消除电路图理解和绘制方面的障碍,掌握相关EDA工具打下良好的基础。 1)Proteus的ISIS工具不提供器件设计功能,因此限制了器件的使用。在实

14、际工程设计中,往往需要根据项目的需要,寻找性价比最高的器件进行系统设计,而器件库中不可能包含市面上可见的全部器件,这就使得Proteus在实际开发中的应用受到限制。 2)Proteus中整合器件和功能器件的使用。Proteus为了支持更加便利的实验和动态仿真功能,提供了一些整合器件,比如交通灯(Traffic Light),以及没有具体型号的功能器件,比如放大器(OPMAP)。但实际系统开发过程中,使用EDA工具进行电路设计时,必须根据需求,明确每个元器件的型号和类型,才能完成系统的实现。因此在使用Proteus时,应该尽量使学生认识到这个问题,减少这类器件的使用。 3) 国内制板产商不支持P

15、roteus的ARES工具绘制的PCB板图,因此在实践教学中,如果需要进行电路实现,应尽量使学生选用其他EDA工具完成电路原理图及相应PCB板图的设计。 3.3应使学生意识到学习的过程比演示效果更重要 Proteus虚拟实验环境的动态演示效果能够使抽象、枯燥的硬件知识变得具体而生动,在很大程度上激发了学生的学习兴趣,提高了学习的积极性,与此同时,它也可能带来负面影响。在教学中,我们发现很多学生在使用Proteus进行单片机学习时,过于关注系统仿真的动态效果并单纯地以此作为判断系统设计是否合理的依据,造成了学习中的另一个误区。如果仅以仿真演示效果作为实验目标,一方面使得学生在使用Proteus进行电路设计时,可能对电路设计原理不求甚解,积累了错误的基础知识。如图2(a)所示的单键驱动电路,由于51的P1口内带有上拉,Proteus仿真时能够正常地识别按键状态,但实际上,该电路中上拉电阻的位置有误,不符合逻辑。另一方面,由于电路的逻辑正确性与连线的规范化无关,很多学生在绘制电路原理图的过程中不注意养成良好的设计习惯,管脚间的连线繁杂、混乱,造成了原理图可读性非常差。因此,在使用Proteus教学时,应使学生认识到Proteus本身只是一种实验工具,是用于帮助大家理解单片机系统设计原理、培养设计思路和能力的一个工具,系统设计的合理性最终还是要