网站原创【摘 要 】单片机实验教学平台在教学中占有十分重要的位置,它直接影响教学效果.针对传统单片机教学中的困境,笔者尝试引入EWB仿真技术作为单片机虚拟实验平台,发现将仿真软件引入到理论教学后,有效地解决了单片机理论知识抽象难懂等问题,在不增加教学投入的情况下,最大程度激发了学生的学习兴趣,提高动手能力.本文以“LED彩灯”电路的实现为例,说明如何运用EWB满足单片机教学中的各种实验需求,以取得最佳的教学效果.
【关 键 词 】EWB,单片机教学,仿真,Multisim
一、引言
单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术,随着信息技术的不断发展 ,在工业控制、自动化、仪器仪表、通信等领域的应用越来越广泛.一方面社会对单片机技术人员的需求不断增长,单片机课程显得越来越重要,另一方面在实际教学中,学生普遍反映单片机抽象难理解、枯燥乏味等,学习难度很大,课堂教学效果也不够理想.
要想得到较好的教学效果,一般需要使用单片机实验箱、单片机实训台等硬件设备,但由于教学的间歇性特点、资金支持等各种原因,职业学校一般没有足够数量的单片机实训设备.为了改变目前教学现状,笔者尝试在单片机教学中引入计算机仿真,使用EWB技术对教学手段进行改革.通过一段时间的实践后发现效果明显,在此分享一些思路和大家做一交流.
二、单片机教学现状
《单片机原理与应用》是计算机、通信、自动化等专业的主干课程,具有很强的技术性和实践性.目前多数学校都沿用在教室讲授理论,到实验室利用实验箱做实验的教学模式.由于单片机技术涉及到硬件电路设计和软件设计两方面的知识和技能,学习难度较大,致使初学者上课犹如听天书,时间不长多数学生就会失去兴趣,能入门者寥寥.这些问题的出现,和教学手段不足有相当的关系.
单片机课程传统的实验教学平台大致分为两大类：一是直接采用现成的单片机实验箱,二是完全使用硬件搭建实验平台.在前一种方式中,教学的硬件平台是单片机实验箱,在实验箱上集成单片机课程中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,目前大多数院校采用这种方式.教学实验平台是以验证性实验为主,其缺点也是明显的,实验装置功能有限,器件固定的搭配限制了学生的思维,不能满足千变万化的系统设计需要.第二种方式中,完全进行硬件搭建是一个相当麻烦的事情,它要求学生有相当丰富的软硬件知识,这对大多数初学学生来说是不现实的,同时实验还要有相对多的配套设备仪器及元器件,这对大多数学校的实验室来说也是不现实的.然而,它提供了相当大的自由度,方便学生根据设计的需要进行相关的硬件设计和软件开发,直至最后的软硬件测试,能够有效地提高学生的动手能力,开拓学生的创新性思维.
由于传统的单片机教学平台存在着各自无法克服的问题,另外单片机的实验教学资源比较紧张,很难满足学生的需求,更无法达到培养学生创新能力的要求.结合传统教学中两种不同实验平台的优点,笔者提出引入EWB虚拟软件作为实验环境,从而满足不断增长的教学需求,进而提高单片机教学的质量.
三、EWB技术简介
EWB全称为ELECTRONICS WORKBENCH EDA,是加拿大Interactive Image Technologies公司于2O世纪8O年代末9O年代初推出的专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作平台”.Multisim 是该公司被美国国家仪器（NI）有限公司收购后,推出的以Windows为基础的仿真工具升级产品,适用于各种模拟/数字电路板的设计工作.它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力,后续还推出了多个版本,现在各学校多使用Multisim10 版本.
利用Multisim的MCU模块,可以对Intel公司的8051、8052和PIC单片机进行仿真,支持汇编语言,具有反汇编功能,而且还具有完整的调试功能（包括设置断点、单步执行、查看存储器、改写内存等）.利用MCU模块可以实现对单片机的硬件和软件仿真调试的所有操作,并即时地以图形、数字或曲线的形式来显示课程中那些难以用语言、文字表达或难以理解的抽象描述及复杂变化过程,从而通过直观的认识,加深学生对单片机的理解,大大提高了课堂的教学效果.
另外在应用EWB的过程中,可以人为地改变电路参数,更换元器件,这样可以边调试边修改,能够非常直观地显示结果,使测试值与理论值进行鲜明的对比.对学生来说,这样的调试方法不可能采用真实的实际电路去分析过程,而利用Multisim则可以实现对这种情况的仿真分析,很好的解决了这些问题.
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四、单片机仿真实例
利用MCU模块进行仿真的步骤如下.
1.原理图设计：包括MCU模块及电路设计,
2.程序设计：一般来说包括主程序和子程序,
3.软硬件协同仿真：可以通过设置断点、单步执行、查看寄存器、存储器等来对程序进行调试.
下面以一个具体的LED发光二极管闪烁实例来说明,用C语言编写程序如何实现Multisim10单片机仿真操作,电路原理如图1所示.
图1电路原理图
1.组建仿真电路
在电子仿真平台上单击鼠标,选定并拖出一个[8052]模块,将先弹出MCU向导对话框之一,第一栏是工作区路径,第二栏是工作区取名,这里输入名称,单击[Next]按钮.再次弹出MCU向导对话框中,第一栏为项目类型,选择[Standard],第二栏选择编程语言种类,选取[C语言],其他默认.在再次弹出MCU向导对话框中,选取[Add source file],下面栏中可以输入源文件名[Led.C],最后单击下方的[Finish]按钮完成.完成MCU向导对话框之后,这时能在电子仿真平台上显示出原来调出单片机模块U1[8052],右击鼠标退出元件操作.保存文件,在文件名栏输入文件名,默认文件后缀[.ms10].
2.编写MCU源C语言程序
双击设计工具盒中的源文件[Led.C],在其右侧将打开编写程序窗口,删除已有的文字注释说明.在源程序窗口输入以下发光二极管闪烁点亮C语言源程序（略）.单击主菜单[MCU /MCU8085U1/Build],[Build]的结果将输出到电子数据表视图中,同时也将所编程序“烧录”到[8052]模块中.如果程序语句逻辑格式有错误,稍等片刻,在程序下方打开的电子数据表视图中可以看到程序分析结果,必须重新检查所编程序,找出错误修正改之,方能进入下一步操作.
3.编程分析结果
调出其他仿真元件,搭建单片机仿真电路,进行仿真,单击电子仿真软件Multisim10基本界面元件工具条,从不同的元件库中,分别调出相应的元件（三极管、电阻和数码管等）,仿真电路接线无误的前提下,单击基本界面右上角仿真开关按钮.电子仿真工作平台将会看到LED按编好的程序完成发光二极管闪烁点亮的功能.
4.仿真调试工具
在“发光二极管闪烁点亮”仿真电路运行的情况下,单击主菜单[MCU/MCU8085U1/Debug View],将打开调试程序和排除故障窗口.单击主菜单[MCU/MCU8085U1/MemoryView],将打开MCU存储器窗口,在该窗口下可以看到特殊函数寄存器、内部RAM、内部ROM、外部RAM.借助于以上仿真调试工具和MCU的存储器,可以对程序进行诸如设置断点、修改程序、观察地址值、堆栈情况、进入子函数、跳过指令等操作,从而达到验证、调整、修改和完善仿真程序的目的,直至完成所需功能为止.
五、总结
Multisim仿真系统具有方便、实用、直观和易调试等特点,可使单片机教学摆脱枯燥的文字描述,使得课堂教学和实验能很好地结合实例进行分析,学生更容易理解电路设计的原理和程序的运行过程,对结果也会有更深刻的认识.在近两年的教学实践中发现,学生采用EWB虚拟实验平台后可根据需要搭建电路,能进一步调试并观察实验效果,极大地提高了学生实践的自主性和创新性,避免了硬件资源不足及易损等一系列缺点,获得了很好的教学效果,具有很好的实际应用前景.