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基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设及使用
作者：周茂霞 白成杰
来源：《中国教育技术装备》2019年第16期
摘 ;要 提出以任务驱动学习为主的一种基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设及使用方法，通过将网络技术、仿真技术和虚拟技术融合，对改革传统实验教学提供技术支持。开展虚拟仿真网络实验室学习，有助于培养学生自主创新能力，提高实验教学质量，对实验教学改革产生深远影响。
关键词 虚拟实验;Proteus;虚拟仿真网络实验室;实验教学;单片机;实验室管理系统 中图分类号：TP391.9 ; ;文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2019）16-0018-03
Virtual Simulation Network Laboratory Construction and Usage
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based on Single Chip Microcomputer Experiments by Proteus//ZHOU Maoxia， BAI Chengjie Abstract In this paper， a type of virtual simulation Network labora-tory construction， which is based on Single Chip Microcomputer （SCM） by Proteus and primarily performs task driven learning， and the methods of its usage are proposed. Through the integration of network technology， simulation technology and virtual technology， it provides technical support for the reform of traditional experimental teaching. By using virtual simulation Network laboratory， it helps to
cultivate students’ ability of independent innovation and improve the
results of experiment teaching. This application is expected to have profound influence on experiment teaching reform.
Key words virtual experiment; Proteus; virtual simulation network laboratory; experiment teaching; microcontrollers; laboratory mana-gement system 1 前言
单片机（Microcontrollers）课程是一门实践性很强的学科，实验贯穿整个学习过程。虚拟仿真实验是指借助虚拟现实多媒体、仿真等技术，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以在仿真环境中完成各种实验项目，所取得的实验效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果[1]。网络虚拟仿真实验建立在一个虚拟的实验环境中，其特点是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。在实验过程中，使用者不必担心因操作不当引起的仪器设备损耗。开展网络虚拟仿真实验教学，能够改善传统实驗对时间和空间的限制，学生和教师可随时随地进入虚拟仿真实验室操作仪器设备，使用虚拟元器件，自主搭建电路，开展相关实验。这种虚拟仿真实验室的实验方式，有助于培养学生自主创新能力，提高实验教学质量。基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室的建设与应用，将会对教学效果和实验教学改革产生深远的影响。 2 基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设的必要性
随着计算机技术、仿真技术和网络技术的飞速发展，虚拟仿真实验室的建设和使用为越来越多的学习者提供了良好的学习平台。在基于Proteus的单片机虚拟网络仿真实验室里，学生利用Proteus仿真软件可自主进行电路设计、仿真、调试等工作，一台联网的计算机、一套Proteus仿真软件、一本实验指导教程，就可相当于一个设备齐全的先进实验室[2]。以虚代实、以软代硬即为虚拟实验室的本质。
在单片机课程中，实验几乎贯穿教学的整个过程。目前大部分学校实验与教学脱离，课堂教学以理论为主，内容抽象;在传统的单片机实验中，实验采用固定的实验箱，按照实验指导
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书连接简单的电路，程序抄到电脑编译软件中，经编译下载到单片机验证结果，学生很难参与具体的项目细节设计，动手能力很难得到训练与提高[3]。在课程设计阶段，手工搭建电路是非常耗时耗力的大工程，同时由于学生能力有限，而搭建项目涉及PCB板制作、器件选型、焊接，这些任务短期内无法完成，不能保证实验项目学习进度，从而影响教学效果;有时搭建核心板的任务开始部分就会失败，造成严重资源浪费。而使用虚拟实验室操作可有效避免这一问题。
在虚拟实验室中，学生可以在虚拟软件上动手搭建实验电路，非常直观地看到电路的设计连接以及器件的选型使用。学生在使用已搭建好的单片机核心模块的基础上也可以自主设计实验，有利于培养操作能力、分析诊断故障能力以及创新意识，提高学习兴趣。在虚拟实验环境里，学生不用担心由于操作不当引起器件的损坏;在设计阶段，可以反复调试更换器件。软硬件调试通过后，进一步开发设计实物产品，可达到事半功倍的效果。
如在设计条形LED的流水灯效果实验（如图1所示）时，学生在实验初期没有设计限流电阻，在仿真实验程序时发现条形灯亮一次后就灭掉了，分析实验程序没有错误，只能是硬件电路的错误。通过引导学生分析，发现是由于没有加上限流电阻的问题，从而展开讨论限流电阻的计算方法，扩展到所有类似电子元器件的参数计算选型问题，这样就能提高学生的分析诊断能力。
如果开始就按着元件参数搭建该实物电路，必然烧坏实物，影响学生心情及学习进度，又因担心电路毁坏而变得畏首畏尾，导致学生由于挫败感而丧失学习兴趣。同时，使用虚拟仿真也不是完全放弃实际的操作，在课程设计中先设计虚拟仿真电路，实验成功后按着成功的仿真电路搭建实际电路，更能节约课程设计的时间，提高实物产品的首次成功率，增强学生的信心[4]。
3 单片机虚拟实验室建设的技术支持
虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟实验器材库及开放的实验管理系统组成。目前用于电子类实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，包括Proteus、Multisim等仿真软件，其中Proteus特别适合对单片机系统进行软硬件协同设计与仿真，其最大的特点是可以仿真51、PIA、AVR、ARM8086等多种系列的处理器。除拥有丰富的元器件外，Proteus还提供了各种虚拟仪器，如常用的电流表、电压表、示波器、计数/定时/频率计、SPI调试器等虚拟终端，支持图形化的分析功能等，还包含强大的调试工具。如此，Proteus就具备了建立嵌入式虚拟实验室所需的前两个条件。
开放的实验管理系统可以借助校园网络提供服务。虚拟实验室是一个开放的平台，借助现有的校园网络服务器，学生在登录后可根据自己的具体情况选择实验内容，决定学习时间、实验地点，具有很强的自主性和决策性，方便实现交互学习。借助Proteus仿真软件和校园网络建立嵌入式虚拟仿真实验室，具有很好的现实意义。
基于Proteus的单片机虚拟仿真网络实验室建设及使用
