基于Proteus軟件的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
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摘要：在電類專業(yè)教學(xué)中，單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)大多采用硬件仿真器配目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板方式，不僅需采購大量的硬件設(shè)備，而且設(shè)備維護(hù)工作量也非常巨大。本文提出一種基于軟件仿真的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。該方案配置有限的硬件設(shè)備，很好地解決了資金和設(shè)備維護(hù)問題；大量的仿真工作是在軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放的便利性。在實(shí)際運(yùn)行中，取得了良好的教學(xué)效果。該方案目前在國內(nèi)高校具有較高的推廣利用價值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)仿真 實(shí)驗(yàn)室建設(shè) Proteus
引 言
單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門迅速發(fā)展的技術(shù)，應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和推廣極大地推動了電子工業(yè)的發(fā)展，其在教學(xué)和產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)推廣仍然是當(dāng)今業(yè)界的一個熱點(diǎn)。單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)中不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)，掌握單片機(jī)技術(shù)是電子信息類專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個基本條件。
目前各個高校都建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，并且基本都是采用相應(yīng)的硬件仿真設(shè)備；但是由于單片機(jī)的種類繁多，再加上資金的限制，不可能在一個實(shí)驗(yàn)室包括所有種類的單片機(jī)仿真設(shè)備。下面結(jié)合我校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)淺談一下我們的作法。
1 引入單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)
伴隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準(zhǔn)確可靠的保證，同時節(jié)約了大量的人力和物力。電子信息技術(shù)領(lǐng)域也不例外，出現(xiàn)了大量的仿真工具，如各種EDA工具：模數(shù)混合仿真的Multisim、OrCAD、Protel等，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真的Maxplus II、Fundation、Expert等，系統(tǒng)仿真軟件Systemview等。
目前，在我校已建立了EDA實(shí)驗(yàn)室，配備了Multisim、Protel、Maxplus II(Quatues)、Systemview等軟件和配套硬件；但這些軟硬件對單片機(jī)的仿真無能為力，因此仍然需要建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。過去，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中基本都是采用硬件仿真系統(tǒng)，所以為了保證實(shí)驗(yàn)的順利開設(shè)，同類型的硬件仿真開發(fā)系統(tǒng)就需要采購多套設(shè)備，這樣硬件的投資成本相對較高。
另一個很重要的原因就是，目前單片機(jī)的課程除了主要開設(shè)8051系列單片機(jī)課程之外，還開設(shè)AVR系列、PIC等系列的選修課。為了保證相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，必須要有配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如果要保證一定的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備套數(shù)，將是一筆更大的開支。所以在目前經(jīng)費(fèi)非常緊張的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，引入單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)，就可以大大減少硬件設(shè)備的采購，同時降低對硬件設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的工作量。
2 選擇單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)
目前，具有單片機(jī)仿真功能的軟件比較多，如何選擇軟件，必須要有一個標(biāo)準(zhǔn)，以下是我們在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室時遵循的標(biāo)準(zhǔn)。
?。?） 單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合
在仿真單片機(jī)系統(tǒng)時，不僅需要知道單片機(jī)內(nèi)部各種寄存器、數(shù)據(jù)存儲器以及各個端口當(dāng)前的狀態(tài)，更重要的是要完成人機(jī)通道、前向通道、后向通道、相互通道的配置與接口。在這些接口電路中，有許多是模擬電路，而模擬電路的仿真就需要SPICE模型，因此必須要求該系統(tǒng)具有SPICE電路仿真功能。
?。?） 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真
目前廣泛采用的單片機(jī)系統(tǒng)有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列等。很顯然，如果該軟件支持的單片機(jī)系統(tǒng)的系列很少，那就沒有任何優(yōu)勢可言。因?yàn)椴豢赡転槊恳粋€系列的單片機(jī)配備一套軟件，所以要求該軟件盡可能將多個系列的單片機(jī)集成在一起。
?。?） 提供軟件調(diào)試功能
在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能，同時要支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境。只有這樣，經(jīng)過該單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)訓(xùn)練的學(xué)生，才能夠較快地熟悉和使用真正的硬件仿真系統(tǒng)。
?。?） 提供豐富的外圍接口器件
外圍接口不僅僅限于僅有的幾個器件，這樣更接近實(shí)際。在訓(xùn)練學(xué)生時，可以選擇不同的方案，這樣更利于培養(yǎng)學(xué)生。
?。?） 提供豐富的虛擬儀器
利用虛擬儀器在仿真過程中可以測量外圍電路的特性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際硬件的調(diào)試能力。
?。?） 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能
目前絕大多數(shù)軟件都能滿足這個要求。
3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的配置方案
?。?） 軟件仿真系統(tǒng)選用Proteus（海神）的ISIS
該軟件的特點(diǎn)：① 全部滿足我們提出的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。② 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。③ 目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。④ 支持大量的存儲器和外圍芯片?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大，是其他任何一款軟件不能相比的。
在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室為每一臺計(jì)算機(jī)安裝該軟件。安裝套數(shù)的多少根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模確定。
（2） 編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil C51 uVision2軟件
該軟件支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)。它的界面友好易學(xué)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能，很多51應(yīng)用的工程師都在使用該軟件；所以使用該軟件將使學(xué)生獲得很多實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，并且通過設(shè)置可與ISIS聯(lián)機(jī)調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)。
?。?） 配置計(jì)算機(jī)平臺
上面介紹的這兩款軟件，對機(jī)器的配置要求都不高，主流的計(jì)算機(jī)都能滿足要求。至于計(jì)算機(jī)的數(shù)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模確定。我們按標(biāo)準(zhǔn)班級的數(shù)量配置，基本保證每人一臺。
?。?） 配置硬件仿真器、實(shí)驗(yàn)板、編程器和示波器等
我校每門課程基本安排10個左右的實(shí)驗(yàn)。這10個實(shí)驗(yàn)都是比較常規(guī)的實(shí)驗(yàn)，不需要特殊的器件，所以每門課的實(shí)驗(yàn)首先都是通過單片機(jī)仿真軟件實(shí)現(xiàn)的。為了讓學(xué)生的訓(xùn)練不脫離實(shí)際，給學(xué)生提供硬件仿真和驗(yàn)證的機(jī)會，我們的做法是：學(xué)生自己繪制原理圖，自己編制程序，在仿真軟件里首先調(diào)試通過，調(diào)試通過后，將自己編譯好的程序用編程器去燒錄，然后安裝到目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板去觀察運(yùn)行結(jié)果，如果有問題，再連接硬件仿真器去調(diào)試、分析。
基于以上分析，我們在硬件的配置上有：8051系列的仿真器5套、PIC系列的仿真器5套、AVR系列的仿真器5套、編程器2臺，20M通用示波器5臺，配套的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板8051系列12套、AVR系列12套、PIC系列12套，相關(guān)的芯片若干。
配置有限的硬件設(shè)備，將節(jié)約的資金用于購買仿真軟件（相對來說軟件的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬件的價格），這樣我們用有限的資金解決了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)問題，對于經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)校有一定的借鑒價值。
至于在具體實(shí)施時會涉及到一些具體的技術(shù)問題，在網(wǎng)絡(luò)上和軟件的隨機(jī)文檔中都有這方面詳細(xì)的資料，只要查看一下，基本都能解決。
總之，我們認(rèn)為采用這樣的方案有以下優(yōu)勢：有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟(jì)性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實(shí)驗(yàn)室是非常有意義的；利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約開發(fā)時間和開發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性；也是高校提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平有益的嘗試。
以上是筆者對建立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的一些粗淺的想法，只是想寫出來和同行們一起探討。如有不妥之處，還請指正。
參考文獻(xiàn)
李學(xué)禮：講師，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì)自動化、多媒體技術(shù)。
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