于海峰

摘要：随着新技术的不断发展，实训设备淘汰很快，学生在使用过程中由于不当操作也容易损坏设备，导致常出现故障甚至老化的问题，使得实训很难开展，要解决此类问题需要更新甚至是重建实验室。微控制器技术与应用是一门实践性很强的学科，目前微控制器的课堂及实验教学中存在诸多问题，课堂教学大部分以理论教学为主，实训环节较少，使得学生平时在学习过程中遇到很多困难而逐渐对课程失去兴趣。

关键词：微控制器;虚拟实验室;虚拟仿真

引言

微处理器内核运行过程一直是学生在学习微控制器原理相关知识过程中的难点。通过开发微控制器的相关实验，让学生直接能够观测到微控制器内部的运行过程和运行机制，能够极大提高学生对微控制器的学习兴趣和动力，同时能够让学生理解微控制器内部的结构和运行机制。然而由于微控制器内部的运行过程一般难以直接进行观测，而且也没有很好的工具或者环境能够时时地观测微控制器内部的结构和运行过程。

1概述

微控制器的执行过程一直是一个非常抽象的知识点，学生在学习微控制器相关内容的时候一直缺乏很好的环境和工具对微控制器过程进行深入的理解和研究。这极大地阻碍了学生对微控制器相关知识的学习兴趣和动力，更缺乏相应的实验环境和平台，让学生能够对微控制器的执行过程开展更为深入的实验和分析工作。

2基于Proteus的微控制器虚拟仿真实验室

2.1虚拟仿真实验室

虚拟仿真实验教学是高职实训教学的重要组成部分，以共享优质实验教学资源为核心，提高学生创新精神和实践能力为宗旨，是专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实训室依托多媒体、虚拟现实、网络通讯、人机交互和数据库等技术，构建仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生能够在虚拟环境中开展实验，实现学生在真实实验不具备或难完成任务的教学效果。

2.2Proteus实验室概念

Proteus是一个集模拟电路、数字电路、A/D混合电路以及多种单片机系统为一体的系统设计和仿真平台，是将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。很好的解决了微控制器及外围电路的设计以及协同仿真的问题，可以在没有实际硬件的条件下，利用计算机实现微控制器软件和硬件同步仿真。Proteus软件的功能在于它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件代码级的调试，还可以直接实时动态的模拟按钮、键盘的输入，LED、液晶显示的输出，同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量。

2.3微控制器虚拟仿真实验室平台架构

虚拟实验室建设设计基于校园网的虚拟仿真网络架构及服务器部署，以教室和学生宿舍虚拟仿真学习平台的建设内容和目标，提出分布式虚拟仿真运行支撑体系结构。Proteus虚拟实验室基于校园内部局域网为基础，网络条件要求10M以上因特网访问带宽，同时可以满足60个用户在线实验，采用用户名的方式来控制终端，当60个用户同时在线时，后登人用户收到当前用户已满的提示，实训机操作系统以windowXP/7/8/10为主，用户还需安装IE浏览器，以及安装KEIL和PROLEUS软件，服务器可以提供软件下载服务，学生可以自行下载。

3微控制器运行过程可视化研究

微控制器运行过程的可视化研究主要研究如何将运行过程的信息进行采集。并将采集到的信息加以输出。由于目前微控制器在设计上并不支持用户直观的观测到微控制器的运行过程，也没有相应的接口供用户进行二次开发。因此微控制器运行过程，对用户来讲是一个黑盒。为了观测和研究微控制器的运行过程，首先要建立虚拟的仿真平台，在仿真环境下将微控制器的各种硬件结构进行模拟。然后当微控制器加载了目标程序之后，对目标程序的运行过程进行动态模拟和跟踪，并对全过程实行信息的采集，以实现对微控制器运行过程的原始信息的获取。微控制器在运行过程中，所有的状态信息主要表现在计算器，10端口，内存等三个部分。因此对微控制器进行模拟的时候需要分别模拟微控制器内部的计算器，IO端口和内存信息变化过程。在建立虚拟环境微控制器执行过程的时候，虚拟环境一般会模拟微控制器内部的所有硬件结构，包括计算机，IO端口和内存。因此，在虚拟环境当中，能够准确得到微控制器运行过程中这三类信息的变化过程。能够通过直观的可视化界面进行认识，因此在获取了微控制器在虚拟环境中运行的各类信息之后，需要设计相应的可视化显示程序，将采集到的各种信息输出来，即所有的信息需要从虚拟环境中映射到外部处于控制功能的平台，即处于图一中间位置的微处理器嵌入式平台，在该平台中要开辟一段存储区域对虚拟化运行环境中目标微处理器的相关计算器，10端口，和內存信息进行存储。然后根据所存储的内容和种类不同，由可视化实验平台的相关显示设备进行输出示。

4虚拟仿真实验室的教学效果

本文设计的堆栈可视化实现模块，采用的是基于数码管阵列的形式拼接显示。由于每一个数码管阵列所能够显示的行和列数目是有限的。为了能够对堆栈中的数据进行完整的表示，构建了一个数码管阵列，数码管阵列当中的每一行代表堆栈当中一行的数据。在数码管的显示区域内，处于有效数据的最顶端代表的是堆栈的栈顶，数码管对底端的数据代表的是堆栈栈底的数据。当微控制器内部程序处于运行状态时，在执行程序调用或者中断等过程时，都会涉及到堆栈的压栈和出栈等操作。通过基于数码管阵列的可视化实现，可以让用户清楚地看到微控制器内部堆栈增长和退去的和过程，也能够看到当前堆栈当中所存储的所有数据，而且助于用户理解微控制器中程序的运行过程。微控制器虚拟仿真实验室是给学生提供了一个虚拟的单片机产品设计与开发实验室，单片机实验台、实验箱、仪器仪表与真实实验环境相同，克服仪器设备数量、实验场地、实验时间上的限制，学生可以通过网络访问虚拟实验室，给学生提供自我学习的平台。适合多样化实验，使用实时仿真的方式为实验、调试创造安全的环境，可减少故障试验、误操作带来的损失;虚拟实验室具有“实验、实训、设计”功能，为培养学生的动手能力提供了条件和技术保障，满足了课程实践的教学需要;运用虚拟仿真实验系统，降低了学生的实验练习成本，交互式的操作模式促进了老师与学生的教学互动，强化学生对实验操作流程的记忆，有利于改善教学效果;采用基于工作过程的课程教学模式，以项目为载体进行专业知识的教学活动，学生对学习专业知识的信心增强，学习兴趣提高;增强实践教学环节，可提高学生的动手能力，增强学生独立思考和解决问题的能力，培养学生综合运用所学知识的能力，为电子竞赛培训积累经验。

结语

微控制器执行平台能够为学生提供一个功能强大的可视化环境，使得用户能够对微控制器内部结构以及程序的执行过程做到实时的准确的监控，为用户理解微控制器的执行过程分析平台。在此基础在上，用户可以通过此平台进行二次开发和功能扩展，以实现对微控制器执行过程的相关控制和管理，为用户开设更加复杂的相关微控制器执行处理机制的实验提供硬件支撑。