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单片机实验教学平台的改革与探索

TIME:2015-09-14 FROM:www.cntg.org.cn AUTHOR:中国学术杂志网 CLICKS:
  【摘要】实验教学是单片机教学过程中的一个重要环节,针对目前现有的实验教学环境提出了单片机虚拟实验平台的建设,及虚实结合单片机实验的改革,本着提高学生动手能力,增强其学习兴趣为目的,通过该实验平台的改革真正实现实验自由化,课堂最大化。
  【关键词】单片机;虚拟实验平台;教学改革
  
  随着单片机应用技术的不断发展,《单片机原理与应用》成为机械电子类专业的一门重要课程,所涉及的实验和实践环节所占的比重也越来越大。单片机实验教学是实现培养学生动手能力、创新能力、工程应用能力和开发能力的重要手段和途径。因此,许多高校及教师都在探索提高该课程实验教学效果的方法[1]。本文对传统的实验教学平台进行总结分类,阐述其优缺点,在此基础上提出虚拟实验平台的建立,通过软件Proteus与Keil仿真软件的整合,构建单片机虚拟实验平台,通过虚实结合的方式对已有的实验教学平台进行改革,以适应我国目前对现代化、创新性人才的需求。
  
  1 现有实验状况分析
  “单片机原理与应用实验”目前现有的实验教学平台主要是采用HEP C8051单片机实验系统,该单片机实验系统集嵌入式单片机C8051F020 和CPLD等技术于一体,提供了丰富的接口电路和功能模块,可满足大多数本科院校和各类职业学校所开设的单片机类课程的实验教学要求。
  1.1 HEP C8051 单片机实验系统特色
  HEP C8051 单片机实验系统集成了常用电路模块,涉及输入输出、通讯、存储、显示、数据采集等方面,包括IO 输入/输出、LCD显示、USB-Device 通讯、数码管显示、键盘等功能模块。 采用模块化设计,通过CPLD配置各模块的应用,使得用户可以自由选择使用不同的模块,各模块间不会相互干扰。根据实验需要更换不同类型的单片机,扩大了本实验平台的适用范围,增强了本实验平台的通用性。启发学生的创造性思维,组合不同的模块可以实现各种不同的功能,提高学生实验时的自主性,使学生不拘泥于书本上规定的实验。
  1.2 现有实验平台的不足
  HEP C8051 单片机实验系统集成单片机课程中要验证的绝大部分基础实验与接口功能,实验的硬件设计过程简单,可靠性高,以验证性实验为主,其优点是采用可靠的成品硬件,减少实验中硬件的错误及硬件损耗,有助于学生对系统整体的把握。但是其缺点也是明显的。实验装置有限的功能,实验装置上各器件固定的搭配限制了学生的思维,使其无法发挥主观能动性及创造思维,也不能满足千变万化的系统设计需要。单片机实验是一个需要通过大量练习,并且操作性很强的实验,单片机实验室由于存在着场地和时间等问题,学生除了上实验课外,平时难得有机会进行实践。同时一般的单片机实验箱由于是成品,学生很难参与到其中的细节设计中去,学生动手能力很难得到训练与提高。
  由此可见,传统的实验教学平台虽然能够满足一定的实验教学要求,但存在着很大的缺陷,它不能满足单片机技术日新月异的发展要求,无法实现学生随时随地实验的要求,不利于学生动手能力的培养。而通过Proteus与Keil仿真软件的整合,构建单片机虚拟实验平台,为解决这一问题提供了一个思路。通过虚实结合的实验模式满足学生对实验教学平台不断提高的要求。
  
  2 单片机实验平台改革
  由于传统的实验教学平台存在着各自无法克服的问题,因此,选择一个合适的开发平台就具有十分重要的意义。在此我们提出前期采用Proteus虚拟实验平台作为入口学习环境,后期则结合现有的单片机实验箱对一些典型实验有选择地进行搭建的方法来对传统实验教学平台进行改革。
  2.1 采用虚拟实验平台Proteus 的意义
  Proteus 软件具有以下优点[3]:Proteus 软件提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30 多个元件库。Proteus 软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表,如示波器、逻辑笔、逻辑分析仪、SPI调试器等。支持单片机汇编源码级、C 源码级仿真与调试。无需硬件电路就可对单片机电路进行软硬件的开发、测试与调试。一套系统就可实现数字电路设计、模拟电路设计和单片机仿真设计的全部实验。
  鉴于Proteus 软件的优点,以Proteus 软件为核心构建虚拟实验平台需要投入的硬件少,只需提供计算机即可;通过使用Proteus软件中提供的多种虚拟仪器仪表也可减少大量实验用仪器仪表的投入;这样不仅实验室运行成本降低,实验过程中元器件的损耗也大大降低;就教学而言,其最大的好处是可支持学生自行实验,对于单片机这种需要进行大量练习和实践的课程,课堂实验教学根本无法满足学生对知识的熟练掌握,必须利用课余时间通过自我练习才能达到对知识的融会贯通,而虚拟实验平台的建立恰巧就解决了实验环境的问题,Proteus 软件支持单片机及其外围设备仿真,克服了传统实验教学时,学生自行实验需购置较多设备的缺点;通过虚拟实验平台,学生可以先在软件环境中模拟通过,再进行硬件的投入,这样出来,不仅省时省力,也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费;单片机实验平台的改革不仅解决了实验设备投入不够,降低了实验费用,而且为学生提供了一个自由的实验平台,提高了学生学习的主动性和积极性。
  2.2 虚实结合的必要性
  采用Proteus 仿真软件开发的虚拟实验平台,虽然优点显著,但也存在一定的缺点,比如Proteus 提供的实验环境与实际环境相比存在一定的误差及实时性不太好等问题。虽然学生前期学习单片机课程的实验教学足够,但在后期进行创新性和综合性实验以及实际工程开发时显得不足。因此,针对一些典型的单片机实验,特别是Preoteus 处理得不太好的实验,如A/D、D/A 实验等,以及后期进行创新性和综合性实验时,可以根据具体实际情况,先进行软件仿真,然后用完全硬件搭建实验平台的方法来对其进行补充与修正。这样既节省了成本,又达到了实验设计的目的,既克服了虚拟实验环境与真实世界的差别,又提高了学生进行软硬件协同开发设计的经验。
  
  3 结论
  单片机实验教学平台的改革主要包括两部分:单片机虚拟实验平台的搭建、虚实结合实验的设计,虚拟实验平台的构建,主要是通过Proteus软件绘制硬件电路图,采用Keil进行软件部分的程序设计,最后通过两部分的整合进行仿真调试,将“硬件实验箱”和“软件调试环境”进行软件化。虚实结合实验是通过现有的单片机实验箱结合虚拟实验平台进行实验,这样可以提高其准确性,减少损耗。单片机实验教学平台改革方案是对现有的实验教学环境及实验中遇到的问题进行综合评估提出的,具有很好的实际应用前景。该方案的实施不仅解决了实验设备及条件不足的问题,更激发了学生学习的积极性和主动性,提高了学生的创新能力。
  
  【参考文献】
  [1]田建立,晁学鹏. 传统单片机实验教学的改革思路[J]. 中国现代教育装备. 2005(8):9-11.
  [2] 廖平. 单片机实验教学的改革[J]. 实验室研究与探索,2004,23(7):36-38.
  [3] 张靖武,周灵彬. 单片机系统的PROTEUS 设计与仿真[M],北京:电子工业出版社,2007.
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