自动化专业“计算机控制技术”课程线上虚拟实验室构建

江 维，罗维平，薛 勇，严 新

(武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073)

“计算机控制技术”是当前自动化及电气信息类专业的一门重要专业课程，综合了“C语言程序设计”“模拟电子技术”“数字电子技术”“单片机原理及应用”“微机原理与接口技术”等对编程与操作能力要求较强的专业实践课程，同时又结合了“自动控制原理”“现代控制理论”等对理论要求较高的专业理论课，可以说是本专业前期课程的大综合，是自动化专业的核心专业课程之一，一般安排在本科阶段第六学期或第七学期。同时，该课程已作为多所高校招收控制科学与工程专业硕士研究生的考试科目，重要性不言而喻。它要求学生不仅要具有扎实的控制理论和数学基础，而且需要具有较强的编程和动手操控能力，对其中很多晦涩的理论通过实践验证。因此，该课程除理论教学环节外，实践和实验教学也占据了重要的教学地位。即使这样，学生在学习时普遍反映很困难。目前，实践教学环节大多是在实验室的实验箱上进行，且时间有限，学生要想完全掌握其核心内容仅仅依靠课内实验是远远不够的。特别是2020年突如其来的新冠疫情，使得线下实验室也难以开展实验教学工作。因此，开发和构建“计算机控制技术”课程的线上虚拟实验室[1-4]，让每一位学生通过个人计算机就能实现该课程实验的仿真和理论验证，提升学生的学习兴趣，打破传统方式对于线下实体实验室的过分依赖，缓解实验室资源紧张等诸多问题具有实际参考价值。

1 当前教学存在的问题

当前，“计算机控制技术”在不同高校、不同专业的开设，甚至不同授课教师的教学上，讲授的内容和效果存在很大差异，总的来讲存在以下几方面问题需要进一步地探讨[5-8]：

1.1 理论教学内容需要实时更新

当今信息技术和计算机控制技术飞速发展，不论是控制硬件还是控制软件都在不断更新，然而目前市面上大多教材内容依然是陈旧过时的，学生难以通过课程的学习达到与时俱进。

1.2 实践教学的综合性需要加强

当前，该课程的实践教学和专业基础课比较类似，主要是一些简单的验证性试验，无法锻炼学生的综合知识应用能力，而综合性的设计类试验是提升学生自主创新能力的关键所在。

1.3 课程的实践教学条件需要进一步完善

目前，大多数高校采用线下实验教学模式，但在办学经费投入上大不相同，从而造成该课程实践教学条件的参差不齐，而优越的实践教学条件是培养创新人才的关键。

基于上述分析，为进一步提高自动化专业人才培养质量，解决由实践条件不足、教学内容“老化”而导致的该课程教学质量不高的问题，本文提出了一种利用PROTEUS软件[9-10]和MDK软件[11-12]联机仿真的计算机控制技术虚拟实验室构建方法。其中，利用PROTEUS软件主要进行计算机硬件系统设计，利用MDK软件进行计算机软件系统的设计，通过可执行文件串联起硬件系统和软件系统进行联机仿真，模拟实际计算机系统的运行，将传统的“线下”实验室转移到“线上”进行实践教学，有效解决实验室资源和实验条件分布不均的问题。

2 虚拟实验室的构建

2.1 课程体系的更新

教学内容的更新是保持课程先进性和培养创新能力的关键。课程教学内容体系主要分为两大部分，即实践教学和理论教学。实践教学方面，目前绝大多数教材的硬件设计依托51系列单片机和基于8086/8088系统的微处理器芯；软件设计，特别是基于8086/8088系统的处理器，基本都是采用汇编语言，而实际用于计算机控制系统开发的主流语言是C语言。此外，开发工具是基于传统的KEIL3等低版本软件。通过更新实践教学内容，采用基于STM32和MSP430微处理器的计算机控制系统，功能较51系统和8086/8088系统更加强大；升级传统KEIL软件为MDK集成开发环境，不仅囊括KEIL的全部功能，支持的计算机微处理器也大幅增加；同时采用VC++面向对象的计算机软件系统开发方式，更加接近实际的工业计算机控制系统。升级后的实践教学平台更有利于学生自主创新能力的培养。

在理论教学方面，目前教材多讲授基于传递函数、微分方程的经典控制系统设计方法，然而实际的工业计算机控制系统是很难建立精确模型的。因此，更新传统的教学方式，引入目前先进的智能控制理论，如模糊控制、神经网络控制、粒子群算法优化、专家系统等，进一步增强与自动化专业、控制科学与工程专业硕士研究生人才培养之间的衔接关系，同时学生的理论水平和视野也能进一步得到提升。计算机控制技术课程教学改革示意图如图1所示。

2.2 硬件系统构建

计算机硬件系统是计算机控制系统的实体部分，计算机虚拟实验平台的构建即是采用可视化的图形用户界面来实现计算机硬件控制系统的设计。PROTEUS软件是一种英国Lab Center Electronics公司开发的用于电子线路设计、仿真的可视化软件，其库文件基本包括了目前硬件电路设计所需的各类电子元器件、电路模块、微处理器等的仿真，能够方便灵活地搭建计算机硬件控制系统。

图2 计算机控制技术虚拟实验室构建流程图

2.3 软件系统构建

MDK是目前嵌入式微处理器最常用的编译开发软件，兼容多种处理器，除51单片机外，还囊括STM32，LPC系列微处理器等，并且支持C语言和汇编语言进行程序设计。因此，在实践教学上采用PROTEUS软件和MDK软件的结合的方式构建线上虚拟实验室，并和线下实体实验室相结合，给学生以自由发挥的空间。具体步骤为：首先建立计算机控制工程，选择所用到的微处理器并添加启动代码，其次新建文本文件，进行程序的编写，保存文件为.c或者.asm，然后将编写好的程序添加到工程中进行编译，如果出现错误则进行修改，如果程序没有错误则可以生产计算机可执行的.HEX文件，最后将可执行文件导入到PROTEUS的微处理器中运行仿真，观察实验现场，其完全可以模拟实际的控制系统，并可以较直观地反映实际控制系统。计算机控制系统的虚拟实验室构建流程如图2所示。

3 虚拟系统的构建案例与效果分析

3.1 构建案例

PROTEUS 8.6软件支持传统的51单片机芯片、8086/8088微处理器、LPC系列ARM7芯片作为计算机控制系统的控制核心，这三种芯片也是目前计算机控制最为常用的微处理器，用来构建计算机虚拟仿真系统具有较强代表性。计算机控制系统中的硬件系统承载着信号的运算和传递，主要包括微处理器、输入系统、输出系统。

本文以模拟计算器运算为例，分别构建基于51系统、8086系统、LPC系统的计算机控制系统(如图3、图4、图5所示)。输入系统都采用软键盘，也可以通过键盘输入所需要运算的数据，输出系统依次采用液晶LCD、7段数码管、液晶LCD作为系统显示，用于显示待运算的数据和输出运算结果。

计算机硬件系统构建完成后，在MDK软件中新建工程。首先选择合适且与硬件系统相匹配的微处理器。然后，编写相应汇编语言和C语言程序，编译并生产微处理器芯片能够直接执行的文件，并将可执行文件导入计算机微处理器。最后，在PROTESU中点击运行按钮，计算机系统开始进入模拟仿真系统，微处理器芯片的引脚通过程序控制表现出不同的电平状态，其中红色代表高电平，蓝色代表低电平，灰色代表不确定，显示器开始显示。

通过键盘输入CPU程序即可完成计算功能并实时显示出来，仿真过程运行快速、平稳，完全可以模拟实际的计算机系统的计算功能。

3.2 案例分析

以上三个实际案例，都可以实现计算机的计算器功能。就控制器而言，案例1采用的是8位控制器，方案2和案例3采用的是16位控制器；显示部分，方案1和方案3采用的是液晶显示，方案2采用的数码管显示。对于控制器，可根据系统处理速度要求灵活选用；显示部分，液晶显示的功能较数码管显示功能更强。由此可知，计算机控制技术虚拟实验系统完全不局限于上述控制芯片及外围设备，可以通过不同微处理器得到不同的计算机控制仿真实验系统，界面表现直观，操作流程简单。同时，各类复杂的控制算法都可以通过合适的微处理器实现，从而能够大大提升学生的学习兴趣。学生也可以根据兴趣爱好搭建不同的计算机虚拟仿真系统，实验灵活方便，完全不受时间和空间的限制，只要求PC机安装有PROTESU和MDK软件。实验平台具有较强的开放性，也为学生提供了自由的发挥平台。

4 结论

本文针对目前自动化专业的主干核心课程计算机控制技术的实验平台受到时间和空间限制的问题，整合了目前的理论教学内容和实践教学方案，提出了一种基于MDK和PROTEUS软件的计算机控制技术的虚拟实验室的构建方法，通过仿真案例详细阐述了虚拟仿真平台的搭建过程，最后通过仿真结果验证本虚拟实验室构建方法方便、快捷，易于学生发散性创新思维的培养。