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摘要：建立了单片机虚拟仿真实验平台，主要完成单片机原理课程（以PIC单片机为例）的相关实验，并可用于单片机课程教学、课程设计、毕业设计和大学生相关竞赛培训。仿真平台具有界面友好、仿真程度高等特点，真正突破地域和时间上的限制。同时，除了规定实验项目外，还允许用户自己设计电路，进行自主实验。实现以培养学生应用能力为核心，以师资建设和实验室建设为两翼的教学发展模式。同时采取项目化的驱动形式，激励学生参加多种课后实践环节，实现课堂理论和实验教学的统一。
关键词：Proteus；单片机；虚拟实验平台；项目式教学
本文引用格式：岳大为,梁涛,郭欣,等.单片机虚拟仿真实验平台的建设研究[J].教育现代化,2019,6(29):199-200.
单片机广泛应用于智能化产品中。单片机类课程是全国大专院校电气信息类专业的必修课程。目前单片机教学主要以51系列和PIC系列为主。随着嵌入式系统的快速发展，高性能的ARM系列芯片逐渐成为学习的主流。
虚拟实验室在教学中具有广阔的应用前景。目前，国内外很多学者开展了对虚拟实验室系统的研发工作，同时也取得了一定的成果。其中，在单片机仿真领域，最常用的软件是Proteus。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司推出的电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）工具软件。它可以对模拟电路、数字电路进行仿真。而微控制器模拟是Proteus真正引领潮流的地方。全部仿真过程都在软件中进行，原理图为“虚拟硬件”，VSM Studio IDE模块支持固件开发和编译。在模拟的虚拟环境下，可以使用中断、读取模数转换模块或设置异步串行通信模块等基本概念。学习者可以设置断点，并在任何时候暂停，检查源代码或原理图上的电压级别，然后单步执行代码。可以使用寄存器、变量和监视窗口来显示相关信息，甚至还有诊断显示。Proteus的处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、MSP430、8086、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、Cortex和DSP系列处理器。对多个8位、16位和32位处理器系列的支持，使得虚拟实验平台能够涵盖广泛的嵌入式体系结构。
目前单片机的课堂教学及实验中存在的主要问题是课堂教学与实践环节脱节。在课堂教学中，教师讲述大量理论知识，学生听起来比较枯燥乏味。尽管该有实验环节，但按照目前实验设备的管理手段，学生在课外时间，很难有亲自动手实践的机会。此外，课程配套的单片机实验系统存在实验项目单一、扩展性差等问题，同时设备的购置、维护、更新增加了运营成本。
使用Proteus软件开发单片机虚拟仿真实验平台，不仅能够提高学生学习的积极性、主动性，真正实现自主性学习；还可以大幅度实验室降低运行成本。使用单片机仿真实验进行开发成功之后再进行实际制作，可以提高开发效率、降低开发成本、加快开发速度，具有较高的推广应用价值。同时，教师也可以利用单片机虚拟仿真实验平台开展教学改革，改进传统的单片机授课模式，提高学生的动手能力和创新能力，培养学生的团队合作能力。
一单片机虚拟实验平台的实验项目设计
（一）单片机虚拟实验平台实验项目设计原则
单片机虚拟实验平台的实验项目分三个层次设计：基础型实验、综合型实验和创新型实验项目。其中，基础型实验项目以培养学生操作能力为主，面向单片机课程教学，帮助学生了解并熟练运用单片机。综合型实验项目以培养学生综合性设计能力为主，面向课程设计类，综合运用单片机的各种资源，并结合外围传感器、执行机构完成一定功能的设计。创新型实验项目以培养学生创新思维设计能力为主，面向各种命题的电子设计竞赛、自主命题设计和毕业设计等。
（二）单片机虚拟实验平台实验项目
本项目的单片机虚拟实验平台共设计了15个实验项目，主要包括Protues软件的基本操作、MPLAB开发工具的使用、单片机输入输出端口实验、数码管显示实验、中断系统实验、定时器/计数器实验、CCP模块实验、串行通信USART实验、模数转换实验、矩阵键盘实验、液晶显示实验、步进电机控制、直流电机控制、伺服电机控制、温度传感器DS18B20等。
其中，实验一至实验十为基础型实验，覆盖了单片机课程教学的全部内容；实验十一至实验十四为综合型实验，设计了不同了输入和控制执行机构；实验十五为创新型实验。本项目只给出了一个创新性实验题目供参考使用，旨在鼓励学生发挥想象力，自己开发设计实验项目。在每个实验项目中，都包括课后练习题，用以巩固学习成果[1]。
实验项目的设计按照由浅入深的原则，尤其是前两次实验，让学生熟悉掌握Proteus仿真开发环境的使用、Proteus电路原理图的绘制、MPLAB IDE集成开发环境的使用、PIC单片机C语言程序的创建、编辑和调试。教师要演示实验一、实验二中所涉及的Proteus和MPLAB软件操作方法，应用简单例程，激发同学们的学习兴趣。通过修改程序里的参数，使同学们理解软件控制硬件的方法。
每个实验项目，学生们都要自己动手画电路图，选择元器件、摆放元器件、布线；软件编程时，软件要和硬件配合起来，调试过程中，如果出现问题，要查找软件、硬件问题，反复修改与调试，直到出现满意结果。如此完成一次完整的虚拟实验的过程接近于实际系统的开发过程，有利于学生理解和掌握单片机系统设计的原理和方法[2]。
二 单片机虚拟实验平台的项目式教学法
由于单片机课程教学既涉及硬件知识、又涉及软件知识，而且在其编程过程中，无论采用汇编语言还是采用C语言都要求对底层的硬件操作很熟悉。在实际教学过程中，一般先讲述单片机的结构和工作原理，然后讲解指令系统，学生普遍感到抽象，不好理解，课堂效果不佳，影响学生的学习积极性。基于单片机虚拟实验平台的项目式教学法，采用项目式教学法贯穿整个教学过程，上课之初不必过多讲授单片机内核架构和指令体系，只要知道其内核的基础特色即可。利用单片机虚拟实验平台的实验项目，激发学生的学习兴趣，并逐渐深入，引导学生探究单片机的内部结构和编程方法，从粗粒度向细粒度进行。整个教学环节实现项目化，教师通过引导、跟踪学生的项目过程，真正实现以学生为中心，突出培养学生创造的能力和解决实际问题的能力，能够更好地适应创新型社会的要求[3]。
（一）项目式教学法
项目式教学法是一种以学生为中心的教学方法，相信学生通过积极探索现实世界的挑战和问题获得更深层次的知识。学生通过长时间工作来研究和回答复杂的问题，挑战或问题，从而了解某个主题。这是一种主动学习和探究式学习的方式。项目式教学法与传统的死记硬背或教师指导的教学形成鲜明对比，这些教学通过提出问题，问题或情景来呈现既定事实或描绘通向知识的路径。
（二）项目式教学法实施过程
针对第二节所涉及的实验，每个实验都可以认为是一个项目。每完成一个项目，就相当于学习了单片机的一部分知识[4]。
基于单片机虚拟仿真实验平台的项目式教学法，其实施过程主要包括如下步骤：
1.教师提前布置任务，告知学生要进行的实验项目、相关单片机知识内容和注意事项，学生进行自学；建议学生分组讨论学习，并进行程序的编制。
2.课堂上，教师的任务是解答同学们的疑问，引导学生进行深入思考，从而掌握单片机及系统设计知识。要注意开发批判性思维、解决问题、协作和各种形式的沟通能力的培养。
3.实验结束后，学生提交电子文档，教师检查学生的项目实施结果，进行成绩评定。
在每个实验项目中，都包括课后练习题，用以巩固学习成果。同时，对于学有余力的同学，也可以要求他们自行设计相应实验项目，实现因材施教[5]。
三结语
本项目搭建的单片机虚拟仿真实验平台，能够由浅入深实现基础型实验、综合型实验和创新型实验项目三个层次的实验项目，有利于培养学生的单片机系统开发设计能力及仿真软件的操作能力；读者也可以根据需要，对多种微控制器系统进行仿真设计。利用该实验平台，开展教学改革，实施项目式教学，实现以学生为中心的主动学习和探究式学习。因此本项目开发的单片机虚拟仿真实验平台有较高的推广利用价值。但受知识水平，研究能力及外在客观因素的制约，本研究仍然存在一定的局限，希望得到指出和更正。
参考文献
[1]刁宇清.基于PROTEUS的单片机仿真实验系统研究及应用[D].西安工业大学,2011.
[2]朱嵘涛,徐爱钧.Proteus仿真软件在电类专业课程中的应用研究[J].微型机与应用,2017,36(08):88-91.
[3]钟丽.《单片机技术及应用》项目教学改革与实践[J].信息与电脑(理论版),2017(05):246-249.
[4]袁小平,李子旋,陈烨,等.基于Proteus的电子技术综合设计虚拟实验环境建设[J].实验技术与管理,2017,34(08):104-106+114.
[5]王丽丽.单片机原理及应用教学的有效途径探究[J].教育现代化,2016,3(22):116-118.
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