基于Proteus软件的单片机实验室建设
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。
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，应用于各种嵌入式系统中。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。
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：① 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。② 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。③ 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。④ 支持大量的存储器和外围芯片。总之，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。
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。
参考文献
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李学礼：讲师，主要研究方向为电子设计自动化、多媒体技术。
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