单片机实验教学平台的改革与探索①
曹燕
[摘 要] 实验教学是单片机教学过程中的一个重要环节，针对目前现有的实验教学环境提出了单片机虚拟实验平台的建设及虚实结合单片机实验的改革，本着提高学生动手能力，增强其学习兴趣为目的，通过该实验平台的改革真正实现实验自由化和课堂最大化。
[关 键 词] 单片机实验；虚拟实验平台；实验教学改革
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）04-0041-01
随着单片机应用技术的不断发展，单片机原理与应用成为机械电子类专业的一门重要课程，所涉及的实验和实践环节所占的比重也越来越大。因此，许多高校及教师都在探索提高该课程实验教学效果的方法。本文对传统的实验教学平台进行总结分类，阐述其优缺点，在此基础上提出虚拟实验平台的建立，通过工具软件Proteus与Keil仿真软件的整合，构建单片机虚拟实验平台，通过虚实结合的方式对已有的实验教学平台进行改革，以适应我国目前对现代化、创新性人才的需求。
一、现有实验状况分析
单片机原理与应用实验目前现有的实验教学平台主要是采用HEP C8051单片机实验系统，该单片机实验系统集嵌入式单片机C8051F020和CPLD等技术于一体，提供了丰富的接口电路和功能模块，可满足大多数本科院校和各类职业学校所开设的单片机类课程的实验教学要求。
（一）HEP C8051单片机实验系统特色
HEP C8051单片机实验系统集成了常用电路模块，涉及输入输出、通讯、存储、显示、数据采集等方面，根据实验需要可更换不同类型的单片机，扩大了实验平台的适用范围，增强了实验平台的通用性。激发学生的创造性思维，通过组合不同的模块可以实现各种不同的功能，提高学生实验时的自主性，使学生不拘泥于书本上规定的实验。
（二）现有实验平台的不足
HEP C8051单片机实验系统的优点是采用可靠的成品硬件，减少实验中硬件损耗，有助于学生对系统整体的把握。但是由于实验装置有限的功能，实验装置上各器件固定的搭配限制了学生的思维，使其无法发挥主观能动性及创造思维，也不能满足千变万化的系统设计需要。课程实验由于存在着场地和时间等问题，学生的动手能力和创新思维都受到了限制。
由此可见，传统的实验教学平台虽然能够满足一定的实验教学要求，但存在很大的缺陷，而通过Proteus与Keil仿真软件的整合，构建单片机虚拟实验平台，为解决这一问题提供了一个思路。
二、单片机实验平台改革
由于传统的实验教学平台存在着各自无法克服的问题，因此，选择一个合适的开发平台就具有十分重要的意义。在此我们前期采用Proteus虚拟实验平台作为入口学习环境，后期则结合现有的单片机实验箱对一些典型实验有选择地进行搭建的方法来对传統实验教学平台进行改革。
（一）采用虚拟实验平台Proteus的意义
Proteus软件具有以下优点：Proteus软件提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库，提供多种现实存在的虚拟仪器仪表；支持单片机汇编源码级、C源码级仿真与调试。无需硬件电路就可对单片机电路进行软硬件的开发、测试与调试。一套系统就可实现数字电路设计、模拟电路设计和单片机仿真设计的全部实验。
鉴于Proteus软件的优点，以Proteus软件为核心构建虚拟实验平台需要投入的硬件少，只需提供计算机即可。通过使用Proteus软件中提供的多种虚拟仪器仪表也可减少大量实验用仪器仪表的投入。这样不仅实验室运行成本降低，实验过程中元器件的损耗也大大降低。就教学而言，其最大的好处是可支持学生自行实验，学生可利用课余时间通过自我练习能达到对知识的融会贯通；通过虚拟实验平台，学生可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费；通过Proteus虚拟实验平台，学生可以参与其中的细节设计，提高学生学习的主动性和创新性。
（二）虚实结合的必要性
采用Proteus仿真软件开发的虚拟实验平台，虽然优点显著，但也存在一定的缺点，比如Proteus提供的实验环境与实际环境相比存在一定的误差及实时性不太好等问题。因此，针对一些典型的单片机实验，特别是Preoteus处理得不太好的实验，如A/D、D/A实验等，以及后期进行创新性和综合性实验时，可以根据具体实际情况，先进行软件仿真，然后用完全硬件搭建实验平台的方法来对其进行补充与修正。这样既节省了成本，又达到了实验设计的目的，既克服了虚拟实验环境与真实世界的差别，又提高了学生进行软硬件协同开发设计的经验。因此，对部分实验采用完全硬件搭建实验平台是十分必要的。
总之，单片机实验教学平台的改革主要包括两部分：单片机虚拟实验平台的搭建、虚实结合实验的设计，单片机虚拟实验平台的构建，主要是通过Proteus软件绘制硬件电路图，采用Keil进行软件部分的程序设计，最后通过两部分的整合进行仿真调试，将“硬件实验箱”和“软件调试环境”进行软件化。虚实结合实验是通过现有的单片机实验箱结合虚拟实验平台，前期使用虚拟实验平台模拟实验，后期进行实物演练，以提高其准确性，减少损耗。单片机实验教学平台改革方案的提出是根据对现有的实验教学环境及实验中遇到的问题进行综合评估提出的，具有较好的实际应用前景。该方案的实施不仅解决了实验设备及条件不足的问题，更激发了学生学习的积极性和主动性，提高了学生的创新能力。
参考文献：
[1]袁斌，马冬梅.单片机实验教学的改革与实践[J].实验室科学，2011（4）：57-59.
[2]唐永红.单片机实践教学探索[J].电气电子教学学报，2007，29（1）：72-81.
