基于Proteus軟件的單片機實驗室建設
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摘要：在電類專業教學中，單片機的實驗室建設大多采用硬件仿真器配目標實驗板方式，不僅需采購大量的硬件設備，而且設備維護工作量也非常巨大。本文提出一種基于軟件仿真的單片機實驗室建設方案。該方案配置有限的硬件設備，很好地解決了資金和設備維護問題；大量的仿真工作是在軟件環境中實現，大大增強了實驗室向學生開放的便利性。在實際運行中，取得了良好的教學效果。該方案目前在國內高校具有較高的推廣利用價值。
引 言
單片機技術是現代電子工程領域一門迅速發展的技術，應用于各種嵌入式系統中。單片機技術的發展和推廣極大地推動了電子工業的發展，其在教學和產業界的技術推廣仍然是當今業界的一個熱點。單片機技術是現代電子工業中不可缺少的一項技術，掌握單片機技術是電子信息類專業學生就業的一個基本條件。
目前各個高校都建立了單片機實驗室，并且基本都是采用相應的硬件仿真設備；但是由于單片機的種類繁多，再加上資金的限制，不可能在一個實驗室包括所有種類的單片機仿真設備。下面結合我校的單片機實驗室建設淺談一下我們的作法。
1 引入單片機軟件仿真系統
伴隨著計算機軟件和硬件技術的飛速發展，在各個領域都出現了各種仿真系統，為各種實際系統的開發提供了準確可靠的保證，同時節約了大量的人力和物力。電子信息技術領域也不例外，出現了大量的仿真工具，如各種EDA工具：模數混合仿真的Multisim、OrCAD、Protel等，數字系統設計仿真的Maxplus II、Fundation、Expert等，系統仿真軟件Systemview等。
目前，在我校已建立了EDA實驗室，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的仿真無能為力，因此仍然需要建立單片機實驗室。過去，在單片機實驗室的建設中基本都是采用硬件仿真系統，所以為了保證實驗的順利開設，同類型的硬件仿真開發系統就需要采購多套設備，這樣硬件的投資成本相對較高。
另一個很重要的原因就是，目前單片機的課程除了主要開設8051系列單片機課程之外，還開設AVR系列、PIC等系列的選修課。為了保證相應實驗的開設，必須要有配套的實驗系統。如果要保證一定的實驗硬件設備套數，將是一筆更大的開支。所以在目前經費非常緊張的情況下，根據經驗，引入單片機軟件仿真系統，就可以大大減少硬件設備的采購，同時降低對硬件設備進行維護的工作量。
2 選擇單片機軟件仿真系統的標準
目前，具有單片機仿真功能的軟件比較多，如何選擇軟件，必須要有一個標準，以下是我們在建設實驗室時遵循的標準。
（1） 單片機仿真和SPICE電路仿真相結合
在仿真單片機系統時，不僅需要知道單片機內部各種寄存器、數據存儲器以及各個端口當前的狀態，更重要的是要完成人機通道、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具有SPICE電路仿真功能。
（2） 支持主流單片機系統的仿真
目前廣泛采用的單片機系統有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系統的系列很少，那就沒有任何優勢可言。因為不可能為每一個系列的單片機配備一套軟件，所以要求該軟件盡可能將多個系列的單片機集成在一起。
（3） 提供軟件調試功能
在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能，同時要支持第三方的軟件編譯和調試環境。只有這樣，經過該單片機軟件仿真系統訓練的學生，才能夠較快地熟悉和使用真正的硬件仿真系統。
（4） 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，這樣更接近實際。在訓練學生時，可以選擇不同的方案，這樣更利于培養學生。
（5） 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，培養學生實際硬件的調試能力。
（6） 具有強大的原理圖繪制功能
目前絕大多數軟件都能滿足這個要求。
3 單片機實驗室建設的配置方案
（1） 軟件仿真系統選用Proteus（海神）的ISIS
該軟件的特點：① 全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統的標準，并在同類產品中具有明顯的優勢。② 具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。③ 目前支持的單片機類型有：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。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大，是其他任何一款軟件不能相比的。
在單片機實驗室為每一臺計算機安裝該軟件。安裝套數的多少根據實驗室的規模確定。
（2） 編譯調試環境選用Keil C51 uVision2軟件
該軟件支持眾多不同公司的MCS51架構的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設計。它的界面友好易學，在調試程序、軟件仿真方面有很強大的功能，很多51應用的工程師都在使用該軟件；所以使用該軟件將使學生獲得很多實際工作經驗，并且通過設置可與ISIS聯機調試單片機系統。
（3） 配置計算機平臺
上面介紹的這兩款軟件，對機器的配置要求都不高，主流的計算機都能滿足要求。至于計算機的數量，根據實驗室的規模確定。我們按標準班級的數量配置，基本保證每人一臺。
（4） 配置硬件仿真器、實驗板、編程器和示波器等
我校每門課程基本安排10個左右的實驗。這10個實驗都是比較常規的實驗，不需要特殊的器件，所以每門課的實驗首先都是通過單片機仿真軟件實現的。為了讓學生的訓練不脫離實際，給學生提供硬件仿真和驗證的機會，我們的做法是：學生自己繪制原理圖，自己編制程序，在仿真軟件里首先調試通過，調試通過后，將自己編譯好的程序用編程器去燒錄，然后安裝到目標實驗板去觀察運行結果，如果有問題，再連接硬件仿真器去調試、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，配套的目標實驗板8051系列12套、AVR系列12套、PIC系列12套，相關的芯片若干。
配置有限的硬件設備，將節約的資金用于購買仿真軟件（相對來說軟件的價格遠遠低于硬件的價格），這樣我們用有限的資金解決了單片機實驗室的建設問題，對于經費緊張的學校有一定的借鑒價值。
至于在具體實施時會涉及到一些具體的技術問題，在網絡上和軟件的隨機文檔中都有這方面詳細的資料，只要查看一下，基本都能解決。
總之，我們認為采用這樣的方案有以下優勢：有利于促進課程和教學改革，更有利于人才的培養；從經濟性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實驗室是非常有意義的；利用仿真系統，可以節約開發時間和開發成本；利用仿真系統，具有很大的靈活性和可擴展性；也是高校提升實驗室建設水平有益的嘗試。
以上是筆者對建立單片機實驗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
李學禮：講師，主要研究方向為電子設計自動化、多媒體技術。
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