基于koil的單片機虛擬實驗室的構(gòu)建

基于koil的單片機虛擬實驗室的構(gòu)建

單門課程是一門創(chuàng)造性、實用的課程。許多高等和重點大學(xué)和計算機大學(xué)提供的單門課程補充實踐課程，大多數(shù)實驗教學(xué)使用實驗箱。因?qū)嶒炏溆布l件所限,單片機實驗主要是一些驗證性實驗。實驗箱限制了學(xué)生的實踐空間,也抑制了一些學(xué)生積極創(chuàng)新和探索的熱情。另外,現(xiàn)用單片機開發(fā)板若要進行單步調(diào)試程序,必須配置單片機硬件仿真器。鑒于這些問題,筆者利用多種軟件聯(lián)合仿真技術(shù),構(gòu)建了一個利用多媒體電子教室輔助的單片機虛擬實驗平臺,實現(xiàn)了與硬件幾乎無差別的軟件仿真實踐教學(xué)。1kiiil33歷史Keil是目前最流行、使用最廣泛的開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件,它集程序編輯、編譯、調(diào)試和仿真等功能于一體,具有操作簡便的Windows工作界面,如今已經(jīng)成為單片機非常重要的軟件開發(fā)平臺,受到越來越多軟件開發(fā)工程師的青睞。Keil最新版本是KeilC51μVision4,它既能進行純軟件仿真,也能使用硬件仿真器搭接單片機硬件系統(tǒng),當(dāng)仿真器中載入項目程序后進行實時仿真。利用KeilC51μVision4內(nèi)嵌模塊KeilMonitor-51,還能在沒有額外硬件仿真器的條件下搭接單片機硬件系統(tǒng),對載入項目程序進行實時仿真。可以說,在教學(xué)中使用Keil軟件,就是站在單片機開發(fā)工具的最前沿。2設(shè)置常用的m目前,單片機的軟件仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展,其中英國LabCenterElectronics公司開發(fā)的Proteus仿真軟件是目前最好的單片機及外圍器件的仿真工具。Proteus是一種電子設(shè)計自動化軟件,具有SchematicDrawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計功能,能夠仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。Proteus還提供了含有各種模擬、數(shù)字、交流、直流元器件的30多個元器件庫,元器件多達計數(shù)千種。此外,對于元件庫中沒有的器件,使用者也可依照需要自己創(chuàng)建。在儀器儀表方面,Proteus除了提供常用的交、直流電壓表、電流表、示波器外,還有邏輯分析儀、計數(shù)器、SPI調(diào)試器、IIC調(diào)試器、信號發(fā)生器、點陣圖形發(fā)生器等特殊的儀器。這些虛擬儀器儀表都具有理想的參數(shù)指標(biāo),盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。Proteus不僅能仿真單片機CPU的工作情況,也能仿真單片機外圍電路及沒有單片機參與的其他電路的工作情況,而且還具有圖形動態(tài)顯示功能,可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時地顯示出來。利用Proteus仿真軟件,在沒有硬件的情況下,不僅可以增強實驗驗證的隨時性,而且可以將許多單片機實例仿真過程形象化,易于學(xué)生理解系統(tǒng)硬件的組成,能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強教學(xué)效果,是單片機實踐教學(xué)的先進手段。3機—多媒體電子教室目前,高校多媒體電子教室主要有3種形式:純軟件多媒體電子教室、純硬件多媒體電子教室及軟硬件相結(jié)合多媒體電子教室。多媒體電子教室提供了“教師—教師機—多學(xué)生機—學(xué)生”的實時交互環(huán)境,集網(wǎng)絡(luò)教室、多功能教室、語音教室等功能于一體,是一種全新的教學(xué)環(huán)境。在多媒體電子教室中,學(xué)生可以與計算機進行雙向交流,充分利用多種教學(xué)媒體進行學(xué)習(xí),并且能參與教學(xué)活動,自己控制學(xué)習(xí)進度。隨著電腦處理能力的增強,多媒體電子教室得到了更快的發(fā)展,可以通過純軟件方式實現(xiàn)屏幕廣播、網(wǎng)絡(luò)影院等多媒體功能,并且在延時處理、視音頻同步的技術(shù)處理上都有了巨大的突破,多媒體電子教室的應(yīng)用在學(xué)校得到普及。4聯(lián)合行動虛擬實驗室本文綜合利用多媒體電子教室軟件、電路設(shè)計仿真軟件Proteus及單片機程序開發(fā)工具Keil,構(gòu)建了一個完整的單片機虛擬實驗室。4.1tols.ini文件的修改(1)Proteus目錄下的VDM51.dll是用以進行仿真通信的動態(tài)鏈接庫文件,將其拷貝到Keil安裝目錄的C51/BIN文件夾中。(2)在Keil軟件啟動時,將從TOOLS.INI文件中讀取配置信息,以更新開發(fā)環(huán)境中的一些選擇項,而這里的聯(lián)合仿真需要將TOOLS.INI文件進行修改,具體修改信息如下:(3)將Keil的仿真模式改為聯(lián)合仿真,并且對選擇的“ProteusVSMMonitor-51Diver”進行設(shè)置。若Proteus與Keil安裝在同一臺計算機上,則選“Host”且地址為“127.0.0.1”,即回環(huán)通信,也就是計算機自身和自身的通信;如不是同一臺計算機,則填寫另一臺計算機的IP地址,實現(xiàn)遠程聯(lián)機仿真;“Port”一欄填寫“8000”,一般保持其為默認(rèn)值;(4)打開Proteus軟件,單擊主菜單里的DE-BUG,選擇“useremotedebugmonitor”。4.2kiel軟件建模及仿真(1)采用Keil軟件建立項目文件并進行相應(yīng)的設(shè)置。(2)在項目文件下添加編譯成功的源程序并生成單片機能夠識別的HEX文件。(3)運行Proteus軟件,搭建相應(yīng)項目實現(xiàn)的硬件原理圖。(4)快速右擊、左擊原理圖中的MCU模塊(如AT89C51),此時彈出一個對話框,選擇用Keil軟件生成的項目文件所對應(yīng)的HEX文件,就實現(xiàn)了HEX文件與原理圖的關(guān)聯(lián)及綁定。(5)點擊Proteus軟件的運行按鈕,單片機就會按照加載的HEX文件進行靜態(tài)或動態(tài)仿真。以液晶顯示電路為例,運用Keil軟件完成液晶顯示源程序編譯,采用Proteus軟件搭建液晶顯示硬件原理圖,進行離線聯(lián)合仿真,其運行結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,Keil和Proteus聯(lián)合仿真實驗平臺只需要配置一般的電腦、Keil和Proteus軟件就可以實現(xiàn),可以很好地解決傳統(tǒng)單片機實驗教學(xué)中存在的實驗設(shè)備經(jīng)費投入多、實驗內(nèi)容缺乏靈活性、實驗儀器設(shè)備損耗大和維護工作量大等弊端。與實驗箱相比,仿真過程生動直觀,操作靈活,容易調(diào)動學(xué)生的積極性,為單片機實踐教學(xué)提供了一個良好的實驗平臺。4.3以proteus軟件和應(yīng)用,實現(xiàn)全方位互動教學(xué)本文構(gòu)建的單片機虛擬實驗室主要設(shè)備有:50臺學(xué)生機(排為2列、采用PXE無盤技術(shù)組網(wǎng)、須安裝Proteus與Keil軟件)、1臺服務(wù)器、1臺教師機(須安裝Proteus與Keil軟件)、組網(wǎng)設(shè)備(主要包括交換機、網(wǎng)線以及ADLSmodem等)、投影機、分屏器、音響系統(tǒng)(2臺音箱呈對角線放置)以及大屏幕(前后各1個)等,其結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。單片機虛擬實驗室以與校園網(wǎng)互聯(lián)的Proteus軟件平臺為基礎(chǔ),可以進行實驗、實訓(xùn)項目,從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到PCB板設(shè)計,都能夠?qū)崿F(xiàn)教師和學(xué)生全方位互動教學(xué),因而會大大提高實踐教學(xué)效果。當(dāng)然,初學(xué)者也可以通過大屏幕觀看教師的每一步操作,然后在自己的電腦上一步步跟著教師完成實驗。要完成一個虛擬實驗,首先要通過Proteus繪制單片機實驗板電路圖,這能幫助學(xué)生深刻理解單片機各引腳的功能、單片機內(nèi)部硬件資源的分配以及單片機各引腳與外部硬件電路的連接。然后,需要使用Keil編寫及調(diào)試控制程序代碼,再對Keil和Proteus進行聯(lián)調(diào)。可以采用單步調(diào)試程序,這時可以實時觀察到單片機程序運行的現(xiàn)象,實現(xiàn)與硬件幾乎無差別的軟件仿真,從而提高實踐教學(xué)的效果。由于是軟件設(shè)計仿真實驗,學(xué)生思維大可不被實驗箱硬件電路所局限,不僅能開拓學(xué)生的視野和方便學(xué)生后期對其設(shè)計進行靈活調(diào)整,而且還能通過簡便的操作實現(xiàn)設(shè)計電路模塊的移植,而這會為C51或AVR單片機項目工程設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。除此之外,在教師的教學(xué)科研項目、學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新項目以及畢業(yè)設(shè)計中,先進行電路仿真、再制作電路板及焊接硬件電路,不僅能大大提高電路設(shè)計的成功率,而且也會減少電子元器件的浪費。5仿真實驗和硬件設(shè)備在單片機虛擬實驗