虚拟仿真技术在总线技术课程中的应用

◇重庆航天职业技术学院 傅钇中

本文分析了总线技术课程教学中存在的问题，提出引入虚拟仿真技术，使用Proteus和Keil软件构建虚拟实验平台，进行虚拟仿真实验，并以基于RS232总线的单片机双机通信实验为例，介绍了使用Proteus+Keil进行仿真实验的过程。虚拟仿真技术可以打破时间、空间、实验器材的限制，有效提高学生的实验实践质量，从而提高整体教学效果。

1 引言

近年来，虚拟仿真技术在各类高校教学中得到越来越广泛的应用。在本科方面，2019年教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》，明确提出要建设1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程[1]。在职业教育方面，教育部经职业院校自愿申报、省级教育行政部门推荐、线上线下专家遴选、公示等环节，确定215个职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目，并鼓励各地按照“先培育后认定”的方式，同步培育其他虚拟仿真实训基地[2]。尤其是在当前新冠肺炎疫情背景下，线上线下混合式教学得到了快速的发展，在线实践教学的高质量开展离不开虚拟仿真技术的有力支持。虚拟仿真技术在各类课程中的融入和应用成为了高校课程改革的一个研究热点。

2 总线技术课程现状分析

总线技术是电子信息工程技术专业（火箭军、战略支援部队士官生）和应用电子技术专业（火箭军士官生）的必修课，是一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课。课程共48课时，其中理论40课时，实训8课时，先修课程包括计算机应用基础、模拟电子技术及应用、数字电子技术及应用、单片机应用技术等，教学内容包括总线技术基础、通用总线技术、汽车总线技术、航空航天总线技术，是一门内容离散度高、综合性强的课程。当前的总线技术课程教学中存在以下问题。

第一，课程涉及的总线种类繁多，应用场景复杂，在进行理论知识授课时，教师为了教学内容更加生动形象，除了传统的ppt和板书以外，会根据需要灵活使用图片、视频等多媒体资源，并引用具体案例进行分析，但由于学生缺乏实际应用，所学的多种总线知识并不牢固，容易遗忘或混淆。

第二，课程主要以课堂教学为主，没有设置明确的实践实训环节，实训课时一般使用实验板进行实验，但课时少，覆盖面窄，与实际工作应用场景不匹配，使得实验达到的效果比较有限，很难保证学生在以后工作环境中可以灵活地运用所学知识。

第三，高校采用的实验板一般是直接采购外部厂家制造的成品，或是由学校教师设计好电路，再交由外部厂家进行生产，其整体结构和电路都被固化，学生只可以做极少部分的连线调整，难以进行电路设计方面的实验，一般只能根据教师的步骤进行验证性实验。

第四，实验板数量有限，一般一个班只有10余套，经过长时间使用后，存在老化损坏现象，可能导致学生无法正确完成实验。实验通常只能在机房或实验室进行，学生可以做实验的时间、空间受到限制，一般在实训课时间以外无法动手实践，影响学生的实验效果[3]。

为了解决这些问题，加强实验实训环节是一种有效的方案。但由于资金、设备、场地等因素，实际的实验实训很难开展。因此考虑引入虚拟仿真技术进行教学改革，以提升课程教学质量和学生的实践能力。

3 虚拟仿真实验教学概述

虚拟仿真技术的主要特征是虚实结合[4]，利用虚拟仿真软件的模拟功能，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象[5]，模拟电路、设备、仪器等的运行情况，达到与真实实验一致的目的。将虚拟仿真技术融入教学有如下优势：第一，学生只需要在自己的电脑上安装对应的仿真软件即可进行实验，不再需要额外的实验器材，也不需要限定时间和场所，既降低了教学成本，又拓展了实验教学的时间和空间，并方便开展线上线下混合式教学。第二，使用虚拟仿真技术进行实验时，学生不再被传统的实验板所限制，能够更加开放性地进行实验和探索，可以有效发挥学生的主观能动性，培养学生的创造力，激发学生的学习兴趣。第三，教师授课时，对于一些不容易理解的知识点，也可以通过虚拟仿真实验进行演示，在不提高教学成本的情况下令课程更加生动形象，便于学生理解和记忆。第四，实验平台可以在多门课之间复用，降低学生的学习成本，让先修课程与后修课程具有更强的连续性，并可以开展跨课程综合性实验,让学生融会贯通应用多门课程的知识、方法和技能[6]。第五，实验内容更加丰富，可以根据社会生活和生产实践前沿对实验内容进行灵活变更，更加贴近社会对于人才技能的需求。

虚拟仿真实验的选择应具有一定的导向。一是重点选择不具备真实实验项目条件或实际运行困难的实验，例如涉及高危极端环境、高成本高消耗操作等，通过虚拟仿真实验可以规避这些问题；二是要承载先进教学内容，紧密联系行业产业最新的发展成果，满足社会发展对高校人才培养的需求；三是要包含综合设计性实验，并辅以线上的辅助教学资源，发挥学生主观能动性，提高学生自主探索专业理论知识的能力[5]。

4 Proteus+Keil在总线技术教学中的应用

Proteus是一款优秀的EDA软件，有“单片机仿真软件”和“虚拟实验室”的美称[7]。它提供大量的元器件库，支持多种处理器芯片，提供示波器、信号发生器等大量虚拟仪器仪表，支持字符型LCD模块、LED点阵、数码管等外部设备仿真[8]，可以灵活进行电路的设计和修改，支持与Keil、ICCAVR等多种编译器进行联合仿真调试，在电子类专业的多门课程得到广泛应用。

总线技术课程安排在大二第2学期，之前已经先修了单片机应用技术课程。根据总线技术课程的教学内容特点，在教学实施中，利用Proteus软件和Keil软件搭建虚拟仿真平台，使用单片机作为仿真对象，通过虚拟仿真实验来辅助理论和实践教学，以改善课程的教学效果。

5 具体实验教学案例

下面以基于RS232总线的单片机双机通信实验为例，介绍采用Proteus+Keil进行虚拟仿真实验的过程。

5.1 实验要求

单片机1与单片机2以RS232总线接口进行数据通信，使得单片机1配套的数码管显示单片机2的S2按键按下的次数，单片机2配套的数码管显示单片机1的S1按键按下的次数。

5.2 实验分析

选用AT89C51单片机作为实验对象。RS232总线采用单端传输，电气特性采用15V到-15V的负逻辑电平，而AT89C51单片机的输入输出端口采用TTL电平，两者的电平不一致，需要进行转换。本次实验选用MAX232芯片作为转换芯片，该芯片可以实现TTL电平与232电平的双向转换，在民用中应用广泛，可以满足本次实验的要求[9]。此实验中单片机1和2功能上完全对称，两者的电路设计和软件设计均可以复用。MAX232包含有两对TTL电平转232电平引脚（T1IN与T1OUT、T2IN与T2OUT）和两对232电平转TTL电平引脚（R1IN与R1OUT、R2IN与R2OUT），实验中单片机1的输出信号（TTL电平）先通过MAX232转换为232电平，经过通路传输后，再通过MAX232转换为TTL电平，被单片机2接收，完成单片机1向单片机2的通信，反之同理。

5.3 电路设计

以单片机1的电路设计为例。根据实验要求，单片机1在最小系统的基础上，需要连接一个数码管和一个按键。数码管我们选用7SEG-MPX4-CA，是四位共阳极七段数码管，其段引脚连接到单片机的P2.0～P2.7，位引脚连接到单片机的P1.0～P1.3。按键S1连接到单片机P3.5。通信部分使用单片机的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)。P3.1(TXD)连接到MAX232芯片的T2IN引脚，对应的T2OUT连接到单片机2的MAX232芯片的R1IN引脚，用于往单片机2发送数据；P3.0(RXD)连接到MAX232芯片的R1OUT引脚，对应的R1IN引脚连接到单片机2的MAX232芯片的T2OUT，用于从单片机2接收数据。单片机1除最小系统外的电路图如图1所示。单片机2的电路图与单片机1对称设计即可。

图1 单片机1接口电路

5.4 软件设计

在Keil软件中使用C语言进行程序设计。程序主要包含如下几项功能：按键检测、数码管显示、数据发送、数据接收。按键检测用轮询方式进行，虽然虚拟仿真中不会出现误识别现象，但为了学生养成良好习惯，此处应加上消除抖动的设计。数码管采用动态扫描方式，用轮询方式实现。数据发送和接受通过AT89C51单片机的串口通信功能实现。由于学生已经先修了单片机应用技术课程，代码实现对于学生来说难度不高。软件设计流程图如图2所示。编译调试通过后，生成hex可执行文件。

图2 软件流程图

5.5 联合仿真调试

打开在Proteus软件中绘制的实验电路图，双击AT89C51芯片，加载Keil软件生成的hex文件，点击仿真按钮即可进行仿真。通过按下S1和S2按键，观察对方的数码管能否正常显示按键次数，判断电路设计和软件实现是否正确。仿真效果如图3所示。

图3 仿真效果图

5.6 进阶实验

上面完成了实验的基础部分，偏向于验证性实验，没有发挥出学生学习的自主性和创造性。由于PC与单片机的通信在智能制造生产实践中应用广泛，可以安排学生自行上网查询资料，完成基于RS232总线的PC与单片机通信仿真实验，以锻炼学生运用互联网收集资料的能力和自主设计的创新能力，进一步提升学生的实践能力。

6 结束语

虚拟仿真技术的引入可以有效解决总线技术课程中实验实训难以开展、效果不佳的问题，虚拟实验演示对提升理论教学效果也有一定帮助。本文以Proteus+Keil构建虚拟仿真平台，让学生可以打破时间、空间、实验器材的限制，随时随地开展虚拟仿真实验，对于增加学生实践时长、锻炼学生创造性、提升学生实际动手能力有巨大的作用。