虚拟仿真在微机原理与应用课程实验中的教学应用研究

韩明 沈振乾 王红霞

［摘           要］  目前微机原理与应用课程的实验教学存在较多问题，通过将Proteus虚拟仿真软件引入课程的实验教学中，研究虚拟仿真在实验教学、电路设计、实验考核等方面的应用，并在实验教学改革中进行案例分析。实践结果表明，将Proteus虚拟仿真软件应用到微机原理与应用课程实验教学中，可以实现理论教学与实验实践相结合，深化学生对微机原理与应用课程的理解，改善教学质量和实验效果，优化实验环境和考核方法，提高学生的操作能力、创新能力和综合设计能力。

［关    键   词］  虚拟仿真；Proteus；微机原理与应用课程；教学改革

［中图分类号］  G642                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）07-0029-04

微机原理与应用课程是高校理工科的一门专业基础课，也是电子、信息、计算机等专业的必修课。该课程以Intel 80 × 86微处理器和PC系列微机作为基础，全面介绍了微型计算机的基本原理、编程语言和接口技术。该课程具有软件与硬件相结合、理论与实践相联系的特点，因此，除了理论教学之外，还需要相应的实验课教学与之相配。通过对应的实验课教学可以更好地实现理论联系实际，帮助学生掌握微型计算机的基本工作原理、常用芯片结构，熟悉编程语言、编程思路和编程设计方法等知识。

在教学工作中，分析了微机原理与应用课程在教学方法和教学形式方面存在的问题，提出将虚拟仿真软件引入实验教学中，可以提高教学质量和效果，激发学生的学习兴趣和创新思维，与理论课教学相比，在培养学生操作能力、实践能力和创新能力等方面，有更好的作用和效果，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。本文中虚拟仿真软件选用Proteus软件，同时引入实验案例，让每位学生通过Proteus软件设计、调试、仿真，并显示出自己的学号，以此作为实验最終的结果，从而有效提高学生学习实验的独立性和自主性。

一、微机原理与应用课程的现状

目前，大部分学校微机原理与应用课程主要采用“微机实验箱+电脑编程软件”的模式，多数实验都属于“验证式”实验，实验教材中提供了每项实验所需的硬件固定连接、程序参考代码、程序调试方法等操作步骤。学生在实验时不需要太多的思考，只需要按照教材里提供的实验步骤进行操作就可以完成实验，没有达到实验教学在整体课程教学中应发挥的作用和效果。这种实验教学的形式和方法主要存在以下不足。

（一）教学方法单一，考核形式简单

目前，大部分学校的实验课都使用微机实验箱来进行实验学习，但在传统的实验箱上，大部分的元器件及其连线已经固定，学生实际操作的内容比较少，也比较简单。传统实验教学一般是由教师将实验项目演示一遍，然后学生按照固定的步骤进行固定的操作，出现固定的结果后再叫教师过来检查打分。教师根据实验最后的结果给出成绩，这种方式很难使学生对理论课程的内容有深入的理解和认识，不利于调动学生参与实验的积极性和主动性。

（二）设备故障较多，维修成本较高

实验箱属于硬件设备，使用时间越长故障率就越高，如果部分核心元器件损坏，则必须由生产厂家的专业工程师来维修调试，维修及更换配件的时效性较差，而且维修成本较高，且容易影响正常实验的顺利进行，实验箱的利用率不高。

（三）灵活性不够，创新性不足

由于实验箱都是微机原理与应用课程配套专用，对其他相关实验课应用的扩展性较低，实验箱的通用性不强。实验箱内部的元器件和线路已经固定，学生只能开展固定的验证性实验，无法自主设计实验，实验的灵活性不够。每位学生的实验内容和结果都完全一样，需要自己进行主动思考，自主设计的内容较少，限制了学生的思维拓展，很难调动学生的学习兴趣，不利于培养学生的自主能力和创新能力。

二、Proteus虚拟仿真软件的基本原理

本文中说的虚拟仿真软件指的是Proteus软件，是英国Labcenter Electronics公司开发的一款EDA工具软件，是可以将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三者合一的设计平台，具有丰富的元件库、虚拟仪器、仿真模型等应用资源，不仅可以仿真单片机及外围器件，还可以对电路进行设计、制版、仿真等操作。Proteus软件可以分析和仿真各种微型计算机、模拟电路、数字电路、集成电路、单片机及其外部设备，能够提供多种虚拟仪器，被广泛地应用于微机原理、电路理论、模拟/数字电子技术等电类专业课程教学中。

在微机原理与应用课程的实验中，可以借助Proteus软件实现动态演示教学，使学生实时观察到存储器、内外部寄存器、芯片相关接口的状态变化，加深对课程内容的学习和理解。通过引入Proteus软件进行教学，实现硬件和软件设计的结合，增强实验课程的专业性和创造性，锻炼学生的实践操作能力和设计创新能力，加深学生对微机原理及应用课程中理论知识的理解，提高实验效果和教学质量。

三、Proteus虚拟仿真在实验教学改革的案例分析

（一）程序设计基本方法

8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片，在计算机系统中是比较常用的一种可编程并行接口芯片，可以通过软件编程对其工作方式进行灵活设置，具有使用方便、价格低廉、应用广泛的特点。

8255A内部有三个8位的输入输出端口，是三个相互独立的并行接口，分别为A、B、C端口，其中A端口作为输入用，B端口作为输出用，C端口作为辅助控制用。8255A共有三种工作方式，可通过设置方式控制字进行设置：方式0为基本的输入/输出方式，A、B、C三个端口都可以设定为输入或者输出；方式1为选通式输入/输出方式，A、B、C三个端口都可以工作在这一方式下；方式2为双向总线I/O方式，只有A端口可以工作于方式2，既可以发送数据，又可以接收数据。图1为本实验的程序设计流程图。

（二）Proteus硬件电路设计

本实验使用可编程并行接口芯片8255A、8051 CPU、74LS373锁存器、LED灯、BCD数码管及相关的接口芯片设计硬件电路，由Proteus软件进行仿真，实验设计的具体要求如下：

1.将8051CPU的时钟频率设置为2.0MHz。

2.使两片8255A的A、B、C端口均工作于方式0，并使A口为输出口，B口为输入口。

3.使第1片8255A的B口高4位控制A口的4个LED灯，B口低4位控制BCD数码管1。

4.使第2片8255A的A口高四位接BCD数码管2，显示第1片8255A的B口高四位按键输入的数字。

5.74LS273锁存器进行输出地址Q0-Q7的锁存。

6.让学生自行设计电路并编程，使2个BCD数码管显示出学生本人学号的后2位。

实验电路的核心部分为8051CPU单片机，在本实验Proteus仿真软件中的8051CPU选用AT89C51单片机，AT89C51是内部带有4K字节FLASH存储器的高性能、低电压8位CMOS微处理器单片机。AT89C51单片机内部包括4K字节Flash闪速存储器（FPEROM——Flash Programmableand Erasable Read Only Memory），256字节片内数据存储器（00H-7FH为片内RAM，80H-FFH为特殊功能寄存器SFR），4个8位并行I/O端口（既可以作为输入，又可以作为输出），两个16位定时/计数器（既可以作为定时器，又可以作为计数器），一个5向量两级中断结构（5个中断源、2个中断优先级的中断控制系统），一个全双工UART（通用异步接收发送器）串行I/O通信口，片内振荡器及时钟电路，以上各部分通过片内8位数据总线（DBUS）相连接。

AT89C51中RST為复位信号输入接口，当输入2个机器周期的高电平时，可以实现复位操作。ALE为地址锁存信号接口，向外输出正脉冲信号，锁存低8位地址的控制信号，在本实验仿真中将其接到74LS373的LE锁存接口。EA为内外程序存储器选择接口，当EA输入低电平时，CPU只访问片外ROM并执行片外程序存储器的程序指令；当EA输入高电平时，CPU则只访问片内ROM并执行片内程序存储器的程序指令。P0口（P0.0-P0.7）是漏极开路的8位准双向I/O端口；P1口（P1.0-P1.7）是内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口（并行或按位使用）；P2口（P2.0-P2.7）是内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口，当有外部存储器时用作高8位地址总线；P3口（P3.0-P3.7）是内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口，每个引脚除了可作为一般I/O口外，还可以控制系统信号。在本实验仿真中，使用了P0口（P0.0-P0.7），通过总线连接到74LS373的D0-D7接口，进行数据的传输和控制，实验时学生可以通过Proteus仿真软件的存储器窗口进行控制并观察状态。

8255A为可编程并行接口芯片，芯片连接的方式类似于一个外部RAM。在其内部接口引脚中的左侧部分均为控制接口，D0-D7为数据总线，与系统数据线双向连接，可以并行传送8位数据；A0、A1为端口选择接口，可以决定CPU对8255A内部操作哪个端口。RESET接口是复位功能，将8255A中所有的寄存器都清空，复原至最初的状态。RD读信号和WR写信号，通过读/写的模式实现I/O口（输入/输出）功能，在CS片选信号的配合下实现对8255A执行读/写操作。RD、WR、CS信号均为低电平有效，在本实验中，学生可以通过Proteus软件中的源代码编程部分对相应位赋值0或赋值1来控制对应信号引脚是否选用，并观察内部寄存器各数据的变化。

在其内部接口引脚中的右侧部分是A、B、C三个通道，每个通道都有8根线与外部设备连接，各接口分别为PA0-PA7、PB0-PB7、PC0-PC7，其中PA0-PA7具有8位输出锁存器/缓冲器和8位输入锁存器，用于8255A向外部设备输入/输出8位并行数据，在本实验设计中连接并控制LED灯和BCD数码显示管；PB0-PB7具有8位输入锁存器/缓冲器和8位输出锁存器，用于8255AA向外部设备输入/输出8位并行数据，在本实验设计中连接并控制8个DIP拨码开关；PC0-PC7具有8位输出锁存器/缓冲器和8位输入缓存器，在本实验中可让学生通过Proteus仿真将PC口分别与PA口、PB口相互配合使用，作为其控制信号输出或者状态信号输入端口，边实验边观察其信号状态。在Proteus仿真软件的“source code”编程界面中，进行相应的赋值来选择A、B、C三个端口的使用：如果A1、A0接口的赋值是00，则选择的是A端口（即PA0-PA7）；如果A1、A0接口的赋值是01，则选择的是B端口（即PB0-PB7）；如果A1、A0接口的赋值是10，则选择的是C端口（即PC0-PC7）。

74LS373为地址锁存器芯片，D0-D7连接到89C51的P0.0-P0.7接收信号，输出端Q0-Q7可直接与总线相连，输出端的状态并不会随着输入端的状态一直变化，只有接收到锁存信号时，输入端的状态才会保存到输出，并一直保存至下一个锁存信号出现时才会改变。锁存信号LE（latch enable）引脚置于高电平时，Q0-Q7接口便锁存住了对应D0-D7的上一个状态，之后无论D0-D7接收到的信号如何变化，Q0-Q7的信号都是被锁存的，输出的依然是原来的数据。在本实验中可以通过Proteus仿真软件查看内部地址数据的状态。

本实验仿真电路的显示部分为LED灯和BCD数码显示管两部分，4个LED灯可以显示亮灭，1个BCD数码显示管可以显示数值。SW1-SW8为拨码开关，具有控制功能，在Proteus仿真软件中可以通过鼠标选择上拨或者下拨。其中LED灯是由拨码开关的高4位控制的，由于LED灯均通过上拉电阻连接到GND接地，采用共阳极的连接方式，所以输入低电平时LED灯会被点亮。在本实验中，学生可以通过Proteus仿真软件，根据情况自行选择SW拨码开关和LED灯的数量，以及根据显示效果选择LED灯的颜色，由此可以形象地显示出实验状态，提高学生学习的积极性和自主性。BCD数码显示管由拨码开关的低4位控制的，根据4个拨码开关的0/1值，显示出对应数值。学生在实验时，通过Proteus软件中的源代码编程部分对相应位赋值0或赋值1，来控制对应信号引脚是否选用，并观察内部寄存器各数据的变化，加深对赋值和控制功能的学习和理解。

（三）Proteus软件程序设计

本实验的程序编译和调试需要选择可以支持8051汇编语言的编译编辑器，通过Proteus仿真软件的“source code”编程界面进行源代码的编写，进行编译、汇编后生成可执行的“.ASM”或者“.EXE”格式的程序可执行文件，编写的源代码的主程序如下：

org 0000h

ljmp main

orgt 0100h

main：mov a，#82h

    mov dptr，#7fffh

    movx @ dptr，a

light：mov dptr，#7ffdh

   movx a，@ dptr

   mov dptr，#7ffch

   movx @ dptr，a

   mov dptr，#0bff3h

   movx @ dptr，a

   sjmp light

end

（四）仿真电路的程序调试

可编程并行接口芯片8255A的A端口和B端口的输出接到LED发光二极管和BCD数码管并显示出对应的状态，在仿真电路中选择8051CPU芯片并单击右键，出现“Edit Component”对话框，设置8051CPU的芯片参数，并把源文件生成的“.ASM”或者“.EXE”文件加载到8051CPU芯片中，然后就可以进行仿真和调试。学生在实验时可以根据实际情况自行设置8051CPU芯片内部的各项参数，可以通过设置不同的参数观察实验数据的差别。通过控制L1-L8这8个拨码开关，来控制4个LED发光二极管和2个BCD数码管，2个BCD数码管显示出的“2”和“0”即为该实验学生学号的后两位。通过这种方式，可以形象地显示出仿真效果，便于学生对实验的学习和理解。由于不同学生实验结果显示的学号数字不同，也可以提高学生实验的独立性和自主性。

在我校的教学中，教师通过将Proteus仿真软件引入实验教学，可以更加生动形象地演示出8051CPU、74LS373、8255A等芯片的工作方式设置、程序调试过程和实验效果实现，可以很好地提高学生的学习兴趣和积极性，深化学生对8051单片机、74LS373锁存器、可编程8255A并行接口芯片及其接口功能的学习和理解，取得了良好的教学效果。

在本实验案例中，让每位学生通过Proteus软件自行设计电路、调试程序、仿真结果，并显示出自己学号的后两位，以此作为实验最终的结果。这样每位学生的程序和结果都不一样，避免学生出现互相抄袭、依赖他人的心理，可以有效提高学生学习实验的独立性和自主性，进而提高实验课程的质量和效果。

四、结语

本文通过将Proteus虚拟仿真引入微机原理与应用课程教学中，可以在课程教学的改革方面发挥积极的作用。在理论教学中，通过Proteus仿真教学可以使理论讲解更加形象生动；在实验教学中，通过Proteus软件进行虚拟仿真实验可以弥补硬件实验设备资源数量有限、硬件容易损壞、通用性不强、利用率不高等缺点，给学生提供更多的实验和动手机会，同时方便学生实时观察系统存储器、寄存器等数据的变化。经过我们的教学实践，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的软硬件综合设计能力，培养了学生的创新能力，提高了教学质量和效果。从总体上看，整体实验效果比较理想，有利于改革传统的实验教学方法，推动实验课程的网络教学发展。

参考文献：

［1］侯慧，朱韶华，张清勇，等.国内外高等学校虚拟仿真实验发展综述［J］.电气电子教学学报，2022，44（5）：143-147.

［2］曹彦刚，李红伟，田连起，等.信息化支持下中药炮制类本科课程体系的构建与实践［J］.中国信息化，2022（4）：73-75.

［3］苏春建，韩宝坤，王瑞.基于虚拟仿真实验的机械类教学理论与实践研究［J］.教育教学论坛，2022（47）：97-100.

［4］曹红霞，卞振涛，朱岩岩，等.基于创新型工程人才培养的化工工艺学课程教学探讨［J］.广东化工，2022， 49（16）：242-243，251.

［5］连文磊，杨理理，于兵.基于虚拟仿真的线上线下混合式教学探索：以“光伏原理”课程为例［J］.工业和信息化教育，2022（2）：91-94.

◎编辑 郑晓燕