针对高职学生的虚拟化单片机实验设计与实践

    路铭 肖琳 翟世骏 刘朝霞

    摘 要 本文针对电子类高职《单片机原理及接口技术》课程在教学中出现的各种问题作了详细的分析，并结合当前流行的单片机虚拟仿真软件构建实验实践内容提出课程建设方法及思路，这有助于课后实时把抽象的理论问题更直观地展示给学生。

    关键词 单片机 虚拟仿真 Proteus软件 Keil软件

    中图分类号：G712 文献标识码：A

    1传统单片机课程教学

    《单片机原理与接口技术》是很多高职电子类相关专业开设的核心课程；同时，这门课程也是从事电子自动化及嵌入式应用开发等工作岗位的工程技术人员必须掌握的专业基础理论。由于单片机是一种高度集成的数字集成电路MCU芯片，它涉及微处理器体系架构，芯片内部功能资源，以及软件开发等一系列复杂的知识要素，这就要求学生不仅能够理论与实践相结合，而且还要掌握硬件与软件协同设计的方法。目前，传统的单片机的教学采用先理论后实验的方式实施，其主要有以下一些问题使得老师难教学生难学，教学效果不理想。

    首先，传统的理论教学大多采用“讲义+板书+讲台”的方式。这种方式以教师为主体，学生客观被动接受老师传授的知识。但是，单片机课程的特点是概念多，内容抽象。因此，这种灌输知识的方式不利于初学者掌握相关知识，而且缺乏互动。第二，单片机原理以汇编指令为软件开发载体，由于指令众多且学生需要掌握每条指令的使用方法及单片机执行所占用的硬件资源以及执行时间。因此，学生难于理解且枯燥无味。第三，单片机知识的逻辑性和完整性使得各部分知识衔接紧密一环扣一环。如果没有掌握好前面的知识，则后面将难于跟上。这使得学生逐渐失去学习兴趣，严重影响教学效果。

    其次， 实验内容是理论课的重要补充（简化抽象问题），并且可以为学生提供动手机会（理论与实践相结合），但是目前专科单片机教学实验课普遍存在这样的问题。第一，实验课时严重不足，因此短时间内只能为学生开设一些验证性实验，而非设计性和综合性实验，这大大降低了实验课程的教学目标。第二，实验手段和设备类型单一，目前单片机实验多数采用教育公司开发的硬件实验箱，实验内容多为基础验证性实验，开放性不足，而且价格较高。学生的学习兴趣逐渐降低，其主动思考和创新思维仍没有得到有效的锻炼，所以根本不能达到实验课真正的目的。总结教学实验课存在的问题分别是：重理论轻实践；理论与实践很难互补进行；实验教学形式单一。

    2虚拟化的单片机实验特点

    随着EDA（Electronic Design Automation）仿真软件的发展，电子类课程相关课程逐渐开始从传统试验箱实验转变为仿真与原型实验相结合。在教学实施中，两个部分的实验内容起到了非常重要。原型实验起到了让学生从理论学习转换到实际物理现象和作用的意义。然而，虚拟化仿真实验不仅可以达到电子元器件零消耗；而且可以充分利用学生课后时间，进行理论与实践互补进行；从而把抽象问题尽早解决，避免问题堆积，学生逐渐失去学习兴趣。在众多的EDA仿真软件中，Proteus+Keil软件在《单片机原理与接口技术》课程中起到了重要作用，其优点是：

    （1）内容丰富且全面：基础实验和创新性、综合性实验都可在虚拟平台上进行。同时，克服了单片机实验箱，硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性。

    （2）经济优势明显：器件零损耗，不用建设专用实验室及配备相关电子测量设备，普通机房就可以实现。

    （3）充分利用课外时间：传统实验无法实时进行，这不利于学生利用实验观察抽象的理论问题；然而，虚拟实验则可以实时帮助学生验证理论知识，而且虚拟仿真实验效果与实际工程非常接近。同时，也加强了老师与学生的互动-以电子文件的形式发给老师。

    3虚拟化单片机课程实施方案

    通常，《单片机原理与接口技术》课程包括六部分内容：单片机硬件系统、单片机指令系统、单片机程序设计、单片机中断系统、单片机系统扩展、单片机实验。本文利用Proteus+Keil虚拟实验平台构建课程实施方案，并结合一个综合案例《基于LM35的温度报警系统设计》贯通整个教学过程，其具体实施过程如下：

    第一部分，单片机硬件系统：理论知识以讲解为主，课后实验采用Proteus软件进行，包括三种复位电路及两种时钟电路实验。同时在第一部分教学内容结束后，完成综合项目中“单片机最小系统”的搭建。

    第二部分，单片机指令系统：各条指令的使用及功能以讲解为主，课后实验采用Keil软件进行，包括五种指令集的使用，并在软件中观察单片机特殊功能寄存器的变化。

    第三部分，单片机程序设计：程序设计常用结构以讲解为主，课后实验以第二部分为基础，利用Keil软件开展顺序结构、循环结构、分支结构的虚拟实验。同时在第三部分教学内容结束后，完成综合项目中“程序流程图”的绘制。

    第四部分，单片机中断系统：中断类型及中断优先级以课堂讲解为主，课后实验则利用Proteus+Keil软件来实施，并以综合实验中最小系统为载体，开展定时流水灯及按键控制数码管显示的虚拟实验。在第四部分教学内容结束后，完成综合项目中“定时控制数码管显示”的开发。

    第五部分，单片机系统扩展：外部存储器、模数/数模转换、串行通信的扩展方式先理论讲解，在课后实验中以“单片机最小系统”为载体，分别开展三个内容的虚拟实验。在第五部分教学内容结束后，完成综合项目中“I/O、A/D及串口通信功能的扩展”并软件测试通过。

    第六部分，单片机实验：购置综合案例《基于LM35的溫度报警系统设计》所需芯片，学生焊接电路，测试及验证所有功能。

    从这个实施过程可以看出，《单片机原理与接口技术》的基础性实验完全被虚拟实验所代替；而且一个综合性实验被开展，它贯通于整门课程的所有教学内容；最后，学生通过实物焊接与开发，更直观地认识到单片机课程内容，从而提高教学效果。

    基金项目：北京联合大学2018年专业建设项目和2017年虚拟仿真实验教学项目资助。

    作者简介：路铭（1981.10-）男，满族，北京人，硕士，北京联合大学，讲师，研究方向：高频开关电源结构拓扑及控制方法。