Keil与Proteus在微机接口技术教学中的应用研究

陈 军，任进军，陈 琨，于 成，苟双全

(1.定西师范高等专科学校 物电系，甘肃 定西 743000；2.定西师范高等专科学校 计算机系，甘肃 定西 743000)

0 引言

计算机科学与技术同各门学科相结合，改进了研究工具和研究方法，促进了各门学科的发展。计算机模拟已成为研究工作的第三条途径，己成为一种重要的研究、实验和设计工具。计算机与有关的实验观测仪器相结合，可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表，显著地提高实验工作的质量和效率。计算机仿真技术，是在计算机平台上使用电子仿真软件进行电路设计、仿真、调试，完成通常在相应硬件实验室才可以完成的实验[1-4]。它实现理论研究和实验研究交叉融合的结果，具有信息时代的特征。

Proteus有着数量庞大的元件资源库，可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件，有多种存储芯片等器件，可对单片机及外围器件高效地仿真。在丰富的库元件的支持下,依据系统原理设计图进行相应的调用和连线，以及对元件的属性进行相应的设置即可完成绘图工作、实现系统仿真和虚拟测量。

其虚拟系统模型功能(VSM)，将Spice电路模型、动态外设以及微处理器结合起来用于仿真微型计算机的接口性能。Proteus为用户提供了一个实时交互的环境,在仿真的过程中,用户可以通过点击鼠标的方式来操作电路中的按钮等电器,微处理器也可对该输入信号做出实时响应,并进行相应的程序处理且把处理结果送至输出终端。整个过程与真实的硬件调试极其相似,而动态外设支持下的实时输入和输出也为开发者呈现了一个最接近现实的调试环境。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

1 实验过程流程及Proteus电路原理设计流程

实验过程流程如图 1所示，在理论教学过程中，结合具体的教学内容，借助于仿真软件平台，根据所学电路的原理图，应用Proteus模拟连接电路，确定电路中的各元器件参数，使用其虚拟仪器进行在线动态测量[5-6]。通过人机对话的方式，能使每位学生都能亲自动手接触电路,连接元件,参数设定。对照电路设计要求更改相关元件参数，从而培养学生的操作设计能力。

Proteus电路原理设计流程如图2所示，可随时调整和修改元器件参数,分析各元件参数对电路的作用与影响。这样边连线，边测试，边修改，边分析，观察仿真结果，并与理论计算进行对照比较，实验与理论的有机结合加深了学生对理论的认识及理解。

图1 实验过程流程图 图2 Proteus电路原理设计流程图

2 电路设计与仿真实践

以“程序控制CPU输出0/1电平”为例进行电路设计及实时仿真。

2.1 电路模型分析

通过编程控制AT89C52(CPU)的管脚，使其输出的电平发生高低变化，然后，利用外电路接入的发光二极管来直观地显示AT89C52管脚电平的高低。

2.2 模型搭建

(1)首先启动Proteus仿真软件，进入ISIS Professional的设计、开发编辑界面环境。

(2)设计创建实验电路[7-8]

1)元件的选取。在Proteus仿真软件环境窗口中选择主菜单“Library”→“PickDevice/Symbol”，(或直接单击左侧模型选择工具栏中的图标“Component Mode”，再单击器件工具列表窗口中的“P”按钮，)弹出相应的 “Pick Devices”(元件拾取)对话框。在所查找的元件名关键词中分别填写并查找如表1所列的元器件，单击“OK”，则所需的元器件选取到器件工具列表窗口中。

表1 元件清单

2)实验电路的设计创建。依次先把器件工具列表窗口中的元件放置到原理图编辑窗口中。选择左侧模型选择工具栏中的接地工具“Terminals Mode”，单击“POWER”，则其出现在元件预览区，将其放置到原理图编辑窗口中，搭建电路如图3 所示。

图3 实验仿真电路图

3)电路文件的保存。电路创建、联接好之后，将该电路保存在“led”文件夹中并名命为“led89c52.dsn”，以备用、调试、仿真。

4)软件编写及目标文件生成。首先，创建工程项目文件及为工程选择目标器件：启动keil-μVsion2创建文件，选择菜单Project /New Project,将文件命名为led52.uv2并保存在led文件夹中(和电路文件led89c52.dsn在同一文件夹中)。同时弹出工程选择目标器件对话框“Select Device for Target ‘Target 1’”，对CPU的器件型号进行选取，选择Atmel中的At89C52，点击确定，完成设置；其次，设置工程项目软硬件调试环境：选择菜单Project /Options for Target ’Target 1’，弹出对软硬件调试环境话框，其中对Output选项卡的设置如图4所示；创建源程序文件并保存源程序项目文件：选择菜单File/New，在弹出的文本编辑窗口中编写如图5所示的代码并以led.c文件名保存；添加源程序文件到项目中:在led52的项目观察窗口中的Source Group1 文件夹图标上右击，在弹出的菜单中选择Add Files to Group ‘Source Group 1’，如图6所示,这样，将led52.c源程序文件到项目中；最后，对源程序文件编译、连接与调试生成led52.hex目标文件。

5)keil-μVsion2软件与Proteus的结合及仿真过程。首先，打开在Proteus环境下创建的led89c52.dsn文件；然后，在该编辑环境窗口中左键双击At89C52元件，如图7所示，在弹出的Edit Component窗口的 Program File栏中将keil-μVsion2软件环境下编译生成的目标文件led52.hex加载到At89C52元件中。最后，启动仿真按钮，开始仿真，其结果如图8所示，可直观、形象地观察到D1灯亮，D2灯不亮，实验设计结果达到预期目的。

图4 Output选项卡设置属性窗口 图5 文本编辑窗口

图6 添加代码窗窗口 图7 Edit Component窗口

图8 仿真结果图

3 仿真教学应用的意义及存在的问题

仿真教学的运用将大大提高课堂教学的效果，使课堂教学内容更充实，现象更生动。

利用仿真技术营造教学情境、启发学生思考、自主探究、协作学习,即实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的“有意义的传递与教师主导下的自主探究相结合”为特征的教与学活动，这样就可以把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来, 使传统的以教师为中心的课堂教学结构发生根本性变革，从而使学生的创新精神、创新能力、合作精神、合作能力、实践能力的培养真正落到实处。

同时，利用仿真技术提供的虚拟实验环境将极大地提高了大专院校实验开出率，最大限度地减少实验室投资和占地面积，还可以避免因操作而对仪器造成的损坏,对于某些实验中不易观察到的现象可以进行模拟仿真，有利于适应市场不断变化的需求，解决新专业设备投资欠缺等问题。

在教学过程中，利用Proteus在计算机上进行仿真实验，作为教学的补充。使学生增强对电路的感性认识，掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。

当然，仿真教学还是一个新的教学形式，在运用技术和开发能力等方面还存在着这样那样的问题。比如，在软件平台方面作为电子线路设计自动化软件的Proteus虽然对电路原理图的绘制与实时、动态的仿真十分强大，但缺乏一个简化的教学模型，而是采用一般性的方法对电路进行分析、设计。又如，在软件的开发方面，一方面缺乏开发人员；另一方面，开发者、教学者、生产技术人员之间相互理解欠缺，软件的针对性、交互性、指导性还相对缺乏。

4 结语

在信息技术的推动下，仿真科学与技术和国计民生、国防建设关系紧密。仿真已形成较为完整的理论、方法、技术及应用体系，成为共用的、战略性科学技术，并朝着网络化、智能化、虚拟化和自动化的方向发展。仿真是一种应用领域最广泛的基于模型[9-13]进行研究的方法，具有无毒、无害、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受气象气候条件和场地空间限制的优势。在教育领域，仿真的应用越来越广泛。利用Keil和Proteus相结合对电路的设计、仿真对当前教学资源相对不足的条件下学习从硬件电路设计、软件程序编程到观察仿真结果的完整过程,既提高了学习兴趣,巩固了所学的知识,提高了学生的创新能力,克服了实验设备和实验设计时间不足的瓶颈。

[参考文献]

[1] 鲁越青,朱小芳,白忠喜.对高校实验室建设与教学管理职能整合的思考[J].实验室研究与探索,2011,30(4):146-149.

[2] 陈军.信息技术与数字电子技术教学整合的实践探索 [J].甘肃高师学报，2011，16(2)：83-85.

[3] 李雪梅.在数字电路教学中引入现代EDA技术[J].物理实验,2004,24(5):28-30.

[4] 颜挺利,乔钟纬,陈俊凯.基于LabWindows/CVI和Matlab的改进Farrow结构滤波器设计[J]. 洛阳理工学院学报：自然科学版,2009,19(3):28-30,34.

[5] 陈军，苟双全，李德奎，等.Proteus仿真技术与模拟电路教学整合的实践探索[J].洛阳理工学院学报,2012，22(1)：86-90.

[6] 陈军.EWB仿真软件在模拟电子技术教学实践中的探讨[J].牡丹江大学学报，2010,19(8)140-144.

[7] 朱清慧.Proteus教程:电子线路设计、制版与仿真[M].北京:清华大学出版社,2011:60-127.

[8] 陈军，李春光.禁忌学习神经元模型的电路设计及其动力学研究[J].物理学报,2011,60(2):68-76.

[9] 田社平,俞水锋,方向忠,等. Proteus在微机原理课程教学中的应用[J].电气电子教学学报,2011,33(5):70-72.

[10] 陈军.Proteus仿真技术与数字电路教学整合的实践[J].大学物理实验,2012,25(3):92-94.

[11] 陈军.对频谱及其几何意义的探讨[J].物理通报,2010(9):56-58.

[12] 陈军，连玉平，苟双全.基于proteus的单片机AD转换设计与仿真[J].动化与仪器仪表，2012(1)：141-142,145.

[13] 梁迎丽，梁英豪.基于虚拟桌面的IT实验室系统设计[J].现代教育技术,2012,22(5):111-115.