淺述Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的角色
摘要：單片機(jī)課程是應(yīng)用電子技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要課程，本文系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中可能存在的問(wèn)題，提出應(yīng)用仿真軟件Proteus的解決方案。分析了Proteus在課程的課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)，最后指出Proteus的仿真結(jié)果需應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)才能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 仿真 教學(xué)
單片機(jī)課程是電子信息、自動(dòng)化和機(jī)電等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，成為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)主要專(zhuān)長(zhǎng)。而單片機(jī)又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生充分掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念和方法，是提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)實(shí)用型人才的一個(gè)重要內(nèi)容。
一、傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題
目前，涉及單片機(jī)方面的主要教學(xué)環(huán)節(jié)是單片機(jī)課堂教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)中的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而在這幾個(gè)方面都不同程度存在一些問(wèn)題。
在單片機(jī)課堂教學(xué)中，主要介紹的是單片機(jī)片內(nèi)資源、程序設(shè)計(jì)及接口電路。學(xué)生在一開(kāi)始接觸這些問(wèn)題時(shí)，缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)片內(nèi)資源的應(yīng)用、程序的執(zhí)行及接口的意義總是有些不明就里，甚至有些學(xué)生在學(xué)完課程后，還不知道中斷服務(wù)程序是什么時(shí)候開(kāi)始執(zhí)行的，其原因之一是缺乏某種有效的演示方法。即使在多媒體教學(xué)廣泛應(yīng)用的今天，光有幾幅幻燈片還不能解決這些問(wèn)題。通常，在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中，一般都是采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)完成。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是：連接導(dǎo)線一運(yùn)行程序一觀察效果。學(xué)生按部就班做完實(shí)驗(yàn)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的具體硬件電路和程序編寫(xiě)卻知之甚少。比如問(wèn)及本實(shí)驗(yàn)中包含哪些模塊或芯片，或某條語(yǔ)句的作用等，就無(wú)法回答了。一旦實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題，原因查找更為困難。如存在實(shí)驗(yàn)箱和使用軟件的通訊問(wèn)題;實(shí)驗(yàn)箱本身的線路通斷、焊點(diǎn)虛實(shí)及芯片好壞等問(wèn)題。由于實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)比較大，維護(hù)也很困難。因難以對(duì)損壞的設(shè)備維修，只能更換設(shè)備。
使用實(shí)驗(yàn)箱的另一個(gè)問(wèn)題就是，設(shè)計(jì)只能在現(xiàn)有系統(tǒng)上完成，使得很多設(shè)計(jì)結(jié)果有些牽強(qiáng)附會(huì)。學(xué)生也不能針對(duì)具體的功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于可以簡(jiǎn)化的問(wèn)題，也以為只能通過(guò)總線模式來(lái)完成，誤認(rèn)為無(wú)論是怎樣的系統(tǒng)，都得設(shè)計(jì)成一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)。對(duì)于學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，一般要求在原理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)物。這時(shí)原理圖的正確性就成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。原理圖不正確，就會(huì)給以后的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很多問(wèn)題，甚至做出的印制板不能用。另外，對(duì)于沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)過(guò)程中容易造成器件和儀器儀表的損壞。故學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)需要購(gòu)置的`元器件數(shù)量增多，開(kāi)支增大。
二、Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用
2.1 Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的意義
目前企業(yè)單位對(duì)單片機(jī)應(yīng)用人才的需求量仍然很大，但對(duì)技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高。面對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，Proteus等仿真工具為我們的教學(xué)提供了一個(gè)很好的輔助手段。借助Proteus的對(duì)CPU和外圍電路強(qiáng)大的仿真能力以及豐富的資源庫(kù)，可以有效替代硬件仿真器進(jìn)行先期的軟硬件調(diào)試。等到仿真結(jié)果基本理想時(shí)再進(jìn)行實(shí)際的硬件調(diào)試。這樣的開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅高效，而且會(huì)盡可能地減少損失，這對(duì)于解決實(shí)驗(yàn)室資源緊張的問(wèn)題是一個(gè)很好的思路。
2.2將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)
在單片機(jī)課堂教學(xué)中，首先，采用Proteus可以進(jìn)行實(shí)例演示，增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性和直觀性。比如教師可以制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，如流水燈、交通燈、數(shù)字鐘及LCD顯示等實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，明白一個(gè)完整系統(tǒng)的含義，清楚單片機(jī)在一個(gè)系統(tǒng)中的作用和地位以及應(yīng)用情況。其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點(diǎn)。在單片機(jī)教學(xué)中，P口作為準(zhǔn)雙向口的這個(gè)概念以及如何應(yīng)用是較難掌握的一個(gè)問(wèn)題。還有如中斷如何產(chǎn)生，LED燈的位選和線選如何區(qū)別，串行通信如何實(shí)現(xiàn)等等教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，都可以通過(guò)Proteus的演示讓學(xué)生掌握清楚。而且，Proteus具有用色點(diǎn)顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，教師可通過(guò)單步調(diào)試的方法讓學(xué)生觀察引腳的高低電平變化。另外，也可通過(guò)示波器、邏輯分析儀和發(fā)光二極管進(jìn)行觀察。還有，Proteus也有助于理解指令含義。通過(guò)改變某段程序或指指令，觀察運(yùn)行效果，從而理解語(yǔ)句含義。
2.3用Proteus改進(jìn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)應(yīng)引起高度重視。而單片機(jī)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，使用實(shí)驗(yàn)僅停留在演示性及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的層次。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以應(yīng)用Proteus所提供的元器件模型和外設(shè)模型按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)原理圖，再利用儀器儀表的輸入輸出效果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。這樣，學(xué)生一方面了解了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)，鍛煉了編程技術(shù)，也學(xué)習(xí)了儀器儀表的使用，提高了設(shè)計(jì)水平。
2.4用Proteus單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)
在課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生首先應(yīng)用Proteus自主設(shè)計(jì)仿真，在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)最好能考慮實(shí)驗(yàn)箱的資源狀況，以使仿真的結(jié)果可以在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)。等編程調(diào)試通過(guò)后可以移植到實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證實(shí)物效果。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，也可以讓學(xué)生根據(jù)愛(ài)好和掌握知識(shí)的程度自由選擇設(shè)計(jì)題目，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。教師與學(xué)生共同探討方案的可行性之后，由學(xué)生在Proteus中設(shè)計(jì)硬件電路，編制程序并調(diào)試。等仿真成功之后，再購(gòu)買(mǎi)元器件進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化，最終每組獨(dú)立完成一件作品。這種方法可以節(jié)省因方案不正確所造成硬件投入的浪費(fèi)，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)元器件的損耗問(wèn)題。而使學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烷_(kāi)發(fā)能力都得到較大提高。
Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用，有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。利用Proteus提供的可靠的虛擬儀器和儀表，不但經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，而且大大提高了教學(xué)效率，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實(shí)意義。但必須指出，仿真不能完全代替實(shí)物，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多新的問(wèn)題，我們不可能拋棄已有的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)手段而僅僅依靠虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。只有將Proteus的仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力。
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