基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设及使用

    周茂霞 白成杰

    

    摘 ?要 提出以任务驱动学习为主的一种基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设及使用方法，通过将网络技术、仿真技术和虚拟技术融合，对改革传统实验教学提供技术支持。开展虚拟仿真网络实验室学习，有助于培养学生自主创新能力，提高实验教学质量，对实验教学改革产生深远影响。

    关键词 虚拟实验;Proteus;虚拟仿真网络实验室;实验教学;单片机;实验室管理系统

    中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）16-0018-03

    Virtual Simulation Network Laboratory Construction and Usage

    based on Single Chip Microcomputer Experiments by Proteus//ZHOU Maoxia， BAI Chengjie

    Abstract In this paper， a type of virtual simulation Network labora-tory construction， which is based on Single Chip Microcomputer （SCM） by Proteus and primarily performs task driven learning， and the methods of its usage are proposed. Through the integration of network technology， simulation technology and virtual technology， it provides technical support for the reform of traditional experimental teaching. By using virtual simulation Network laboratory， it helps to

    cultivate students ability of independent innovation and improve the

    results of experiment teaching. This application is expected to have profound influence on experiment teaching reform.

    Key words virtual experiment; Proteus; virtual simulation network laboratory; experiment teaching; microcontrollers; laboratory mana-gement system

    1 前言

    单片机（Microcontrollers）课程是一门实践性很强的学科，实验贯穿整个学习过程。虚拟仿真实验是指借助虚拟现实多媒体、仿真等技术，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以在仿真环境中完成各种实验项目，所取得的实验效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果[1]。网络虚拟仿真实验建立在一个虚拟的实验环境中，其特点是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。在实验过程中，使用者不必担心因操作不当引起的仪器设备损耗。开展网络虚拟仿真实验教学，能够改善传统实驗对时间和空间的限制，学生和教师可随时随地进入虚拟仿真实验室操作仪器设备，使用虚拟元器件，自主搭建电路，开展相关实验。这种虚拟仿真实验室的实验方式，有助于培养学生自主创新能力，提高实验教学质量。基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室的建设与应用，将会对教学效果和实验教学改革产生深远的影响。

    2 基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设的必要性

    随着计算机技术、仿真技术和网络技术的飞速发展，虚拟仿真实验室的建设和使用为越来越多的学习者提供了良好的学习平台。在基于Proteus的单片机虚拟网络仿真实验室里，学生利用Proteus仿真软件可自主进行电路设计、仿真、调试等工作，一台联网的计算机、一套Proteus仿真软件、一本实验指导教程，就可相当于一个设备齐全的先进实验室[2]。以虚代实、以软代硬即为虚拟实验室的本质。

    在单片机课程中，实验几乎贯穿教学的整个过程。目前大部分学校实验与教学脱离，课堂教学以理论为主，内容抽象;在传统的单片机实验中，实验采用固定的实验箱，按照实验指导书连接简单的电路，程序抄到电脑编译软件中，经编译下载到单片机验证结果，学生很难参与具体的项目细节设计，动手能力很难得到训练与提高[3]。在课程设计阶段，手工搭建电路是非常耗时耗力的大工程，同时由于学生能力有限，而搭建项目涉及PCB板制作、器件选型、焊接，这些任务短期内无法完成，不能保证实验项目学习进度，从而影响教学效果;有时搭建核心板的任务开始部分就会失败，造成严重资源浪费。而使用虚拟实验室操作可有效避免这一问题。

    在虚拟实验室中，学生可以在虚拟软件上动手搭建实验电路，非常直观地看到电路的设计连接以及器件的选型使用。学生在使用已搭建好的单片机核心模块的基础上也可以自主设计实验，有利于培养操作能力、分析诊断故障能力以及创新意识，提高学习兴趣。在虚拟实验环境里，学生不用担心由于操作不当引起器件的损坏;在设计阶段，可以反复调试更换器件。软硬件调试通过后，进一步开发设计实物产品，可达到事半功倍的效果。

    如在设计条形LED的流水灯效果实验（如图1所示）时，学生在实验初期没有设计限流电阻，在仿真实验程序时发现条形灯亮一次后就灭掉了，分析实验程序没有错误，只能是硬件电路的错误。通过引导学生分析，发现是由于没有加上限流电阻的问题，从而展开讨论限流电阻的计算方法，扩展到所有类似电子元器件的参数计算选型问题，这样就能提高学生的分析诊断能力。

    如果开始就按着元件参数搭建该实物电路，必然烧坏实物，影响学生心情及学习进度，又因担心电路毁坏而变得畏首畏尾，导致学生由于挫败感而丧失学习兴趣。同时，使用虚拟仿真也不是完全放弃实际的操作，在课程设计中先设计虚拟仿真电路，实验成功后按着成功的仿真电路搭建实际电路，更能节约课程设计的时间，提高实物产品的首次成功率，增强学生的信心[4]。

    3 单片机虚拟实验室建设的技术支持

    虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟实验器材库及开放的实验管理系统组成。目前用于电子类实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，包括Proteus、Multisim等仿真软件，其中Proteus特别适合对单片机系统进行软硬件协同设计与仿真，其最大的特点是可以仿真51、PIA、AVR、ARM8086等多种系列的处理器。除拥有丰富的元器件外，Proteus还提供了各种虚拟仪器，如常用的电流表、电压表、示波器、计数/定时/频率计、SPI调试器等虚拟终端，支持图形化的分析功能等，还包含强大的调试工具。如此，Proteus就具备了建立嵌入式虚拟实验室所需的前两个条件。

    开放的实验管理系统可以借助校园网络提供服务。虚拟实验室是一个开放的平台，借助现有的校园网络服务器，学生在登录后可根据自己的具体情况选择实验内容，决定学习时间、实验地点，具有很强的自主性和决策性，方便实现交互学习。借助Proteus仿真软件和校园网络建立嵌入式虚拟仿真实验室，具有很好的现实意义。

    4 网络虚拟仿真实验室管理系统的功能及使用方法

    以网站的形式建设开放式实验室管理系统，实验室管理系统登录窗口分为学生登录入口与教师登录入口。学生使用虚拟实验室时需先登录，学生的信息在教师管理部分由任课教师预先录入。网站后台建有学生信息数据库和教师信息数据库，学生登录系统时输入登录信息，验证通过后可进入班级虚拟实验室页面;教师登录后可完成后台相应的管理功能。

    学生虚拟实验室平台建设 ?学生虚拟实验室界面包括两大部分。

    1）学生自由学习部分。针对单片机课程实践性强的特点，结合单片机课程的学习进度，在该部分提供任务实例项目单元。每一个任务包括题目、任务实现要求、任务分析、Proteus硬件仿真参考电路图、Keil开发环境下编写的软件项目参考源程序。根据教学目标，教师预先为每个任务搭建虚拟仿真电路原理图，编写参考程序，列出详细的要求及任务实现的详细步骤、电路元器件选型的依据及有关元器件的参数手册，供学生参考学习。学生学习时可自由把该单元下载到自己的计算机上，硬件原理图与软件项目包可以直接用来仿真验证。学生也可以根据任务要求，参考提供的实例，按照自己的思路重新设计电路图。这种方式使得学生的学习具有很强的选择性和自主性。

    网络虚拟仿真实验室是个开放的平台，学生在许可权限范围内，根据自己的实际情况自主选择学习任务、学习时间、学习地点、实验器材及实验方式，不受传统实验学习时间和条件限制，具有很强的实践性和决策性，实验效果事半功倍。因为虚拟实验模型是开放式的，学生在此之上借助虚拟仿真实验软件进一步自主搭建实验模型，若仿真成功，进一步开展实践实验，设计开发自己的产品，从而培养学生学习兴趣，提高学生创新设计能力。

    2）实验作业部分。在此部分显示任课教师布置实验作业，提供作业的题目名称、实验要求、实验目的、实验步骤、实验说明、系统核心电路仿真图。这部分使用Proteus仿真软件搭建虚拟仿真核心电路模块，相当于嵌入式系统开发板的核心板电路模块。因为每个实验项目的核心电路图都是一样的，所以教师可以搭建出包括晶振电路、复位电路的核心电路。对于系统需外扩总线的实验，除了搭建晶振和复位电路外，教师可搭建出地址总线、数据总线及控制总线外接口，方便学生使用。学生完成作业后可以方便及时地线上提交，教师进行线上评价。

    教师虚拟实验室平台建设 ?教师登录信息由教师本人注册，注册信息由系统管理人员管理。教师登录后可以运用以下几项功能。

    1）班级学生管理功能。教师开设单片机虚拟仿真实验课后，需要对上课的学生进行系统管理。首先录入学生信息，只有在此录入信息的学生，才可以登录该仿真实验平台，初始密码由管理本班学生的教师指定。

    2）管理学习任务功能。教师可以方便地增加学习任务，根据实际修改，增加、删除相关的资料。这些学习任务、资料属于虚拟实验室的公共资源，在没有对学生公布之前，他们无法看到。注册登录的教师有义务增加学习资料，有选择地对任课班级学生公布开放。

    3）布置实验作业功能模块。在此模块，教师方便地选择实验任务，发布实验作业，规定完成时间等要求，查看学生提交的作业情况，给出学生成绩评价;对成绩确认后，可以按照实验任务的序号分类及学生学号自动汇总到班级成绩表里，方便查看。

    4）提供学生与教师交流平台功能，方便学生与教师的在线交流，及时解决问题，发布公告，开展学习讨论等。

    5 结语

    开展基于Proteus的单片机网络仿真实验室建设及使用，可以很好地解决理论教学与实际实验相脱节的问题。学生能够及时、方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真技术展现出来，可以极大地提高学习热情和积极性，真正将被动学习变为主动学习[5]。

    开展基于Proteus的单片机网上仿真实验室建设及使用，对提高教师教学技能也是一个很好的促进。教师在备课过程中不仅要组织教学语言，还要对电路、程序进行虚拟仿真，使得教学过程变得丰富、生动，并能吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣，从而使教学质量得到明显提升。

    参考文献

    [1]张英，周涛.电子虚拟实验平台的研究和设计[J].甘肃科技，2018，34（17）：43-45.

    [2]周正贵.Proteus仿真技术在单片机教学中的应用研究[J].电子世界，2018（13）：81，83.

    [3]付承彪，田安红，于龙，等.高校网络在虚拟仿真器中的设计与实现[J].实验室研究与探索，2018，37（6）：91-95，

    128.

    [4]王晓锋，吳文燕，孔军.基于云平台的计算机网络仿真实验[J].中国教育技术装备，2018（2）：123-126.

    [5]李超彦，王桂叶，张志国.慕课与虚拟仿真实验在机能实验学教学中的应用[J].卫生职业教育，2016（23）：101-102.