高校计算机硬件课程群的虚拟实验室构建——以单片机原理虚拟实验室为例

□李超建，陆 钊，龚榆桐

（1.2.玉林师范学院 计算机科学与工程学院，广西 玉林 537000；3.玉林师范学院 数学与信息科学学院，广西 玉林 537000）

高校计算机硬件课程群的虚拟实验室构建
——以单片机原理虚拟实验室为例

□李超建1，陆 钊2，龚榆桐3

（1.2.玉林师范学院 计算机科学与工程学院，广西 玉林 537000；3.玉林师范学院 数学与信息科学学院，广西 玉林 537000）

虚拟实验室的建设对促进高校教学发展、优化实验教学过程和节约成本等起到重要的作用. 本文首先搭建了以学校实验室管理流程和基本事务管理为核心的虚拟开放实验室综合管理平台，然后以单片机虚拟实验室的建设为例，实现了从硬件电路设计、软件程序设计到应用软件的程序固化及调试. 最后明确指出，虚拟实验室这种崭新的教学方式能对计算机专业硬件类课程取得非常好的教学效果.

虚拟实验室；硬件课程；计算机；单片机原理

1 引言

我国高等教育进入了一个快速发展的时期，新的教学理念和教育手段层出不穷,加上社会对学生实操能力要求越来越高，因此实验室建设与实验教学手段的改革变得越来越迫切.虽然很多高校都把实验教学和实验室建设放在重要位置上，但由于受到经费、场地和设备更新换代快等多种原因限制，往往使得实验教学的投入上很难做到有求必应.随之而来的就是实验环境较差，基本上无法开设需要配置昂贵设备的实验课程，条件好的学校或许能给教师购买一台作为课堂演示用，而学生们则无法动手亲自实践，只能通过课堂上老师的讲述对实验仪器及实验操作进行想象.在这样条件下，实验教学根本无法达到预期的培养目标，虚拟实验室概念便在这种背景下应运而生.

所谓“虚拟实验室”，就是将计算机上的各种虚拟仪器，按实验要求和设计原理，虚拟出一个与现实相同的实验系统，进而在这个系统上完成整个实验.在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识.在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈[1].“虚拟实验室”可以解决传统的实验室建设存在的成本、管理等种种不尽人意的弊端，受到越来越多高校的欢迎.

目前，教育部在《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》等文件中明确提出进一步推进实验教学信息化建设，不断推动实验教学改革和实验教学资源开发，其中就包括了对开展虚拟仿真实验教学的大力支持，并于2013年开始已在全国铺开此项工作.因此，虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向，高等院校更要重视该项工作.

2 建设计算机相关专业硬件课程群虚拟实验室的必要性

工程类专业人才的培养，对实践环节要求非常高，这就要求工科院校必须建设先进性的实践环境.随之而来的是工科院校在实验室建设方面投入的经费非常惊人.但是近年来现代科技发展越发迅猛，新技术层出不穷，硬件的更新换代异常快，基本上不到3年，一种先进的设备就会变得陈旧落后.例如电子计算机相关专业用的ARM嵌入式开发平台，短短几年的时间就从ARM7发展到了当前最新的ARM11，这样的更新换代速度，高校是根本无法追赶购置最新的技术平台.总体上来说，目前硬件类课程教学中还存在如下问题：

（1）理论教学一般在通用的多媒体教室进行，硬件类课程教学中往往需要很多硬件设备，这些设备较为昂贵和并且使用复杂，一般无法保证能在仓促间成功搭建环境，即便能成功演示，学生们也无法看清整个操作过程，效果还是不好.

（2）硬件类课程所使用的教材一般无法与实验设备相匹配，往往给学生们造成很大的困惑，最终的结果是老师教的累，学生学得更累.

（3）实验开发平台较为昂贵，除了上实验课外，学生们平时很难有机会实践；另外这些实验平台基本上做了封装，简单的几个端口地址连线，根本无法让学生的创新思维得到拓展.

（4）实验设备的元器件裸露设计、频繁的加电、实验时间过长和学生大意的操作经常会损害平台，设备维护维修的工作量非常大，甚至有时候根本无法修复.

针对以上的瓶颈问题，建立开放实验室综合管理平台，并围绕该开放平台逐步建立硬件类课程群虚拟实验室，已变得非常迫切.

3 开放实验室综合管理平台的建立

开放实验室综合管理平台是以学校实验室管理流程和基本事务管理为核心，以规范实验室管理信息化标准化为准则，采用B/S架构的建立的基础性平台[2].该管理平台可以通过互联网（校园网）访问，充分利用学校实验室资源，更好地服务于全校师生.

图1 开放实验室综合管理平台

4 单片机原理虚拟实验室的建设

单片机应用开发流程通常可分为硬件电路设计、软件程序设计和软硬件联合总调试三个步骤.在本节中，作者将严格按照这三个步骤，通过一个简单的虚拟仿真实例来让读者清楚了解单片机实验的开发流程.本次开发我们采用了两套软件工具，其中硬件仿真工具采用了Proteus软件，这是目前最好的51系列MCU及其外围电路仿真工具；而软件开发工具则采用了keil开发套件，该工具能完美支持51单片机汇编语言开发，我们最后实现keil和proteus联合调试[3].

单片机课程的实验繁多，本次示例开发我们仅以最常见的“串并转换实验”为例子进行讲解.这个实验要求我们将利用8051串行口和并行输出串行移位寄存器74LS164，在数码显示器上循环显示0-9这10个数字.

4.1 硬件电路的设计

经过分析本次实验要求及串行口控制芯片的工作原理我们得出本次硬件要求如下：

（1）首先初始化串行口工作在方式0，并通过外接移位寄存器实现串并转换.8位数据从RXD端输入输出，TXD端输出移位同步时钟，波特率为晶振频率1/12.

（2）软件置位串行控制寄存器（SCON）的REN后启动串行接收；在CPU将数据写入SBUF寄存器后，启动发送.

（3）8位数据输完后，硬件方式将SCON寄存器的TI位置1.

（4）本次系统需要扩展一位八段数码显示器.

Proteus软件是目前最为优秀EDA工具软件之一.它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件.它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，同时也是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等.在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器.目前在国内外单片机教程中所涉及的元器件几乎全能支持仿真.本次仿真电路结构图如下：

图2 仿真电路结构图

4.2 软件程序设计

Keil是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，支持51汇编语言编程，并能Proteus软件较好地进行联合调试.本次案例的软件程序的设计将借助于Keil软件，设计过程包括新建项目、器件选择和工具配置、程序编写、应用代码生成、程序调试及错误修改、连接应用，并形成最终的“*.hex”目标文件[4][5].本次案例软件程序编写如下：

4.3 软硬件联合总调试

软硬件联合总调试，指的是应用软件的程序固化、连接及调试.Proteus与Keil本身所具备的仿真调试功能就可以实现整个系统的总调.在这个联合调试中，Proteus作为硬件仿真和调试，而Keil则为软件调试.通过它们联合调试，我们可以方便地进行电路原理图的设计和仿真测试、观察电路的工作状态及软件运行后的变化情况.用它来做单片机的仿真分析、设计无疑是很方便的.实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作,能极大提高单片机系统设计效率.

5 总结

虚拟实验室虽然无法完全代替传统的实验室，但却有着许多传统实验室所没有的优势，两者相辅相成、互为补充地结合可以有效地提升高校实验教学与管理工作的科学性.同时也要看到，高校虚拟实验室的建设与管理是一项非常复杂的系统工程,需要在日常的实验教学管理中不断加强探索与实践，才能更好地将先进的管理理念与技术有机地结合起来，促进高校实验室建设的全方位发展. ■

Abstract:The building of virtual laboratory has played an important role in promoting the development of university teaching, Optimizing experimental teaching process and cost savings． Firstly, to build the integrated management platform of virtual open laboratory based on school laboratory management processes and basic transaction management as the core． Then microcontroller virtual laboratory building as an example to achieve a design from the hardware circuit design, software program application software program to solidify the connection and commissioning． The final results show that the establishment of a virtual laboratory platform receive good teaching effect．

[1]姚奕，苏广和，冯林平.工程专业网络虚拟实验室的建设与探索[J].实验室研究与探索，2013（32）：213-215.

[2]王涌，李国丽，应艳杰，贾立新.建设网络虚拟实验室，深化实验教学改革[J].实验技术与管理，2010（27）：86-87.

[3]姜恩华，汪徐德， 李素文，杨一军.计算机网络课程虚拟实验室建设[J].实验室科学，2012（15）：132-135.

[4]王建新，裴慧民，陈松乔.基于Internet的虚拟实验室平台架构设计[J].中南工业大学学报，2002(33)：530-533.

[5]荣雅君，王伟，袁计委，孙玉恒.虚拟实验室的构建[J].电力系统及其自动化学报,2012(24):86-90.

【责任编辑 吴庆丰】

Construction of Virtual Laboratory on University Computer Hardware Curriculum Group - Example for SCM principles Virtual Laboratory

LI Chao-jian1，LU Zhao2，GONGYu-tong3
（1． 2． College of Computer and Information Engineering, Yulin Normal University Yulin, Guangxi, 537000; 3． College of Maths and Information ,Yulin Normal University Yulin,Guangxi, 537000）

Virtual Laboratory; Hardware Course; Computer; SCM principles

O245

A

1004-4671（2014）02-0125-05

2014-01-01

李超建（1978～），男，广西玉林人，玉林师范学院计算机科学与工程学院硕士，讲师。主要研究方向：网络计算、网络与信息安全。