1、基于 Proteus 软件的单片机实验室建设作者:北京信息职业技术学院 李学礼 林海峰 详细内容: 摘要 在电类专业教学中,单片机的实验室建设大多采用硬件仿真器配目标实验板方式,不仅需采购大量的硬件设备,而且设备维护工作量也非常巨大。本文提出一种基于软件仿真的单片机实验室建设方案。该方案配置有限的硬件设备,很好地解决了资金和设备维护问题;大量的仿真工作是在软件环境中实现,大大增强了实验室向学生开放的便利性。在实际运行中,取得了良好的教学效果。该方案目前在国内高校具有较高的推广利用价值。关键词 单片机仿真 实验室建设 Proteus单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术,应用于各种嵌入式
2、系统中。单片机技术的发展和推广极大地推动了电子工业的发展,其在教学和产业界的技术推广仍然是当今业界的一个热点。单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术,掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个基本条件。目前各个高校都建立了单片机实验室,并且基本都是采用相应的硬件仿真设备;但是由于单片机的种类繁多,再加上资金的限制,不可能在一个实验室包括所有种类的单片机仿真设备。下面结合我校的单片机实验室建设浅谈一下我们的作法。1 引入单片机软件仿真系统伴随着计算机软件和硬件技术的飞速发展,在各个领域都出现了各种仿真系统,为各种实际系统的开发提供了准确可靠的保证,同时节约了大量的人力和物力。电子信息技术
3、领域也不例外,出现了大量的仿真工具,如各种 EDA 工具：模数混合仿真的 Multisim、OrCAD、Protel 等,数字系统设计仿真的 Maxplus II、Fundation、 Expert 等,系统仿真软件 Systemview 等。目前,在我校已建立了 EDA 实验室,配备了 Multisim、Protel、Maxplus II(Quatues)、Systemview 等软件和配套硬件;但这些软硬件对单片机的仿真无能为力 ,因此仍然需要建立单片机实验室。过去,在单片机实验室的建设中基本都是采用硬件仿真系统,所以为了保证实验的顺利开设,同类型的硬件仿真开发系统就需要采购多套设备,这样
4、硬件的投资成本相对较高。另一个很重要的原因就是,目前单片机的课程除了主要开设 8051 系列单片机课程之外,还开设 AVR 系列、PIC 等系列的选修课。为了保证相应实验的开设,必须要有配套的实验系统。如果要保证一定的实验硬件设备套数,将是一笔更大的开支。所以在目前经费非常紧张的情况下,根据经验,引入单片机软件仿真系统,就可以大大减少硬件设备的采购,同时降低对硬件设备进行维护的工作量。2 选择单片机软件仿真系统的标准目前,具有单片机仿真功能的软件比较多,如何选择软件,必须要有一个标准,以下是我们在建设实验室时遵循的标准。（1） 单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合在仿真单片机系统时,不仅需
5、要知道单片机内部各种寄存器、数据存储器以及各个端口当前的状态,更重要的是要完成人机通道、前向通道、后向通道、相互通道的配置与接口。在这些接口电路中,有许多是模拟电路,而模拟电路的仿真就需要 SPICE 模型,因此必须要求该系统具有 SPICE 电路仿真功能。（2） 支持主流单片机系统的仿真目前广泛采用的单片机系统有 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。很显然,如果该软件支持的单片机系统的系列很少,那就没有任何优势可言。因为不可能为每一个系列的单片机配备一套软件,所以要求该软件尽可能将多个系列的单片机
6、集成在一起。（3） 提供软件调试功能在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能,同时要支持第三方的软件编译和调试环境。只有这样,经过该单片机软件仿真系统训练的学生,才能够较快地熟悉和使用真正的硬件仿真系统。（4） 提供丰富的外围接口器件外围接口不仅仅限于仅有的几个器件,这样更接近实际。在训练学生时,可以选择不同的方案,这样更利于培养学生。（5） 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性,培养学生实际硬件的调试能力。（6） 具有强大的原理图绘制功能目前绝大多数软件都能满足这个要求
7、。 3 单片机实验室建设的配置方案（1） 软件仿真系统选用 Proteus（海神）的 ISIS该软件的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准,并在同类产品中具有明显的优势。 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能;有各种虚拟仪器 ,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总
8、之,该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件,功能极其强大,是其他任何一款软件不能相比的。在单片机实验室为每一台计算机安装该软件。安装套数的多少根据实验室的规模确定。（2） 编译调试环境选用 Keil C51 uVision2 软件该软件支持众多不同公司的 MCS51 架构的芯片,集编辑、编译和程序仿真等于一体 ,同时还支持 PLM、汇编和 C 语言的程序设计。它的界面友好易学 ,在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能,很多 51 应用的工程师都在使用该软件;所以使用该软件将使学生获得很多实际工作经验,并且通过设置可与 ISIS 联机调试单片机系统。（3） 配置计算机平台上面介
9、绍的这两款软件,对机器的配置要求都不高,主流的计算机都能满足要求。至于计算机的数量,根据实验室的规模确定。我们按标准班级的数量配置,基本保证每人一台。（4） 配置硬件仿真器、实验板、编程器和示波器等我校每门课程基本安排 10 个左右的实验。这 10 个实验都是比较常规的实验,不需要特殊的器件,所以每门课的实验首先都是通过单片机仿真软件实现的。为了让学生的训练不脱离实际,给学生提供硬件仿真和验证的机会,我们的做法是：学生自己绘制原理图,自己编制程序,在仿真软件里首先调试通过,调试通过后,将自己编译好的程序用编程器去烧录,然后安装到目标实验板去观察运行结果,如果有问题,再连接硬件仿真器去调试、分析
10、。基于以上分析,我们在硬件的配置上有：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、编程器 2 台,20M 通用示波器 5 台,配套的目标实验板 8051 系列 12 套、AVR 系列 12 套、PIC系列 12 套,相关的芯片若干。配置有限的硬件设备,将节约的资金用于购买仿真软件（相对来说软件的价格远远低于硬件的价格）,这样我们用有限的资金解决了单片机实验室的建设问题,对于经费紧张的学校有一定的借鉴价值。至于在具体实施时会涉及到一些具体的技术问题,在网络上和软件的随机文档中都有这方面详细的资料,只要查看一下,基本都能解决。总之,我们认为采用这样的方案有以下优势：有利于促进课程和教学改革,更有利于人才的培养;从经济性、可移植性、可推广性角度讲,建立这样的实验室是非常有意义的;利用仿真系统,可以节约开发时间和开发成本; 利用仿真系统,具有很大的灵活性和可扩展性;也是高校提升实验室建设水平有益的尝试。以上是笔者对建立单片机实验室的一些粗浅的想法,只是想写出来和同行们一起探讨。如有不妥之处,还请指正。
