甘辉 吕美妮 王奎奎
摘要：针对传统《嵌入式系统及应用》课程教学中存在的问题，提出了通过仿真演示、工程实验设计驱动教学的新方法，运用Protues 仿真软件辅助教学激发学生的学习积极性，并以“基于STM32内部双通道模数转换及显示”为例，设计基于Protues的双通道ADC采集显示系统，教学结果显示，方法有效地锻炼了学生应用开发能力，提高了教学效果。
关键词：Protues;嵌入式;教学改革
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）31-0007-02
《嵌入式系统及应用》是电子信息工程、通信工程、光信息科学等专业的一门专业选修课程。如今，科技快速发展，嵌入式芯片迭代快速，嵌入式开发方法多种多样，使得教学内容更加复杂。在教学过程中存在教师授课内容抽象，学生难以理解的现象，从而导致《嵌入式系统及应用》课程教学无法达到满意的效果。针对该课程实践性很强的特点，本文提出在《嵌入式系统及应用》课程中引入Protues 仿真软件，充分发挥其灵活性，强有力的辅助课程教学，提高课程教学质量。
1 传统“嵌入式”课程教学中存在的问题
1.1 教学内容抽象
现阶段，《嵌入式系统及应用》课程教学，基本上是以理论教学为主，结合部分课程实验为辅助的教学方案。教师在理论教学时，先讲解嵌入式硬件组成原理，再结合一些实例讲解。由于学生对嵌入式系统组成缺乏宏观认识[1]，导致在听课过程中，对该内容一知半解，只能被动记忆，故感觉枯燥乏味，丧失学习激情，最终导致课程教学效果无法达到预期目标。
1.2 受地点和设备限制，缺乏实践能力
现阶段，实验课需要在实验室采用专用的试验箱方能开展实验。由于现有试验箱，采用高度集成的模块化设计[2]，所以完成实验只需按照配套的实验指导书完成以下几步流程：新建工程、输入程序、编译工程、连接模块之间的导线、下载编译文件到实验设备里面，就会得到实验现象了。这类试验箱，电路固定，大部分电路都封装在面板下面，学生在似懂非懂的情况下完成实验，但对所做实验整体框架的组成以及电路原理无法深入了解。显然这类验证性实验，导致学生在实验过程中缺乏独立思考和实践动手能力，无法培养学生电路设计能力和创新能力。
2 基于Protues仿真软件在“嵌入式”课程教学改革中的应用
Protues仿真软件自带了30几个常用的仿真元件库和各类常用仿真电子仪器、仪表，能够满足各类模拟、数字仿真实验[3]。《嵌入式系统及应用》课程基于目前市场上最畅销的ST公司系列的芯片开展的教学计划。在新发布的Protues8.9软件版本中，添加了内核M3、M4系列的ST公司芯片，给予广大电子爱好者基于嵌入式系统电路设计开发带来了方便。
2.1 灵活教学、激发热情、提高能力
Proues软件系统仿真具有很强的灵活性。在理论课授课过程中，教师可以根据课程内容搭建嵌入式系统小电路，采用LED灯、数码管等虚拟显示元件模块，再加上部分虚拟信号发生器、示波器作辅助[4]，通过演示现象，讲解系统原理，使得枯燥乏味的理论课变得形象生动，加强学生对嵌入式系统工作原理的感性认识，从而激发对嵌入式系统开发的学习激情。在实验课实施过程中，可以将班级同学分成3个人一小组，每一组分配不同的实验内容，各组根据实验内容自行设计系统电路，搭建仿真系统，编程实现实验要求。如此，在课后学生可以根据理论课学到的知识自主搭建电路，练习编程，打破了实验必须要在实验室且依赖试验箱的限制。Protues仿真软件的辅助，利于教师好讲课、讲好课，使得学生听懂课、爱听课，进一步提高学生自主学习能力，实践操作能力。
2.2 构建虚拟实验系统
使用Proues软件搭建嵌入式仿真系统，采用Keil软件编写嵌入式功能代码，通过相关配置使得两个软件相互关联[5]。在Keil编写好的工程，采用单步调试、断点调试、全速运行等调试方法，同步在Protues软件的嵌入式系统上产生相应的变化，使得嵌入式系统从代码到系统各个部分的运行清晰透明，使得学生了解每一步运行的变化，加深对嵌入式系统组成原理及运行机制的理解。
3 教学实例
3.1 “模数转换显示”实例
本文以“基于STM32内部双通道模数转换及显示”为例，设计基于Protues的双通道ADC采集显示系统。首先根据需求分析，设计方案，系统组成框图如图1所示。
系统电路设计：根据系统组成框图，调用Protues中的元件组成仿真系统，如图2所示。使用到的资源有：LCD1602显示器、10k的滑动电阻、STM32F103R6芯片、直流电压表。系统将VCC、AVCC设置为3.3v，GND，AGND设置为0v。LCD1602显示器R/W引脚接地，默认为只写模式。
系统软件设计：参考STM32F103R6手册资料。软件编程分成以下几个步骤第一步：配置STM32相关外设时钟，本系统使用到的芯片外设资源有，GPIO，ADC。第二步：初始化外设，LCD1602数据引脚和控制引脚配置为推挽输出，LCD1602配置为两行显示、关光标、无闪烁、光标右移。模拟转换器ADC引脚PA1、PA2引脚配置为模拟输入，功能设置为：12位转换精度、数据靠右、双通道软件触发。第三步：软件触发ADC转换。第四步：等待模数转换完成标志位为1。第五步，清除转换完成标志位，读取转换完成数据，根据公式1计算获取实际模拟输入电压。第六步：将采集到的量化电压数据、计算后的模拟电压数据在LCD1602上显示。
系统转换原理：模数转换采用以下公式1进行转换。其中Vin 为模拟输入电压，DADC 为量化后的数字电压，Vref为芯片模拟转换基准电压3.3v，因为STM32F103系列芯片内部自带ADC精度为12位，则2^12 =4096，所以数字转换电压范围为0-4095。
Vin = （DADC * Vref） / 4096 （1）
系统双通道采集配置了通道1（PA1）、通道2（PA2） 引脚为模拟信号输入端口，通过调节滑动变阻器RV1、RV2上电阻的大小，改变输入两个通道的电压值，每个通道分别放置了一个虚拟电压表，实时测量输入信号电压值，通过STM32程序转换，在LCD1602上显示CH1以及CH2的电压信息。具体模拟信号采集量化结果，如表格1所示。
系统转换结果：实验可得，实际输入电压和芯片转换显示在LCD1602上的电压一致，说明系统仿真以及程序逻辑满足设计需求。整个系统从输入到输出，结构清晰，模拟信号转换结果一目了然，使学生通俗易懂、印象深刻。
3.2 实验拓展
由于STM32f103系列内部自带3个ADC，每个ADC最多有16个外部通道，所以给实验设计带来了多样化结合Protues仿真软件的灵活性，可以拓展出很多贴合实际应用的实验，如表2所示。通过贴合实际应用的实验设计，激发学生思考如何用所学知识解决实际生活问题。真正的做到学有所用，进一步发挥学生的实践动手能力，以及创新思维。
4 结束语
实践证明，在《嵌入式系统及应用》课程中采用Protues软件辅助教学，使得软件编程和硬件系统仿真紧密联系在一起，灵活操作性很强，在时间、空间上打破了传统实验室试验箱固定模式的束缚，结合生活实际设计多元化实验内容，充分激发了学生独立思考、自主设计的能力。有效地提高了课程教学效率和质量。
参考文献：
[1] 邱刚.Protues仿真软件在单片机教学中的应用[J].电子元器件与信息技术，2021，5（4）：165-167.
[2] 丁莉，何波，丁有军，等.Proteus仿真软件在单片机教学中的应用[J].教育教学论坛，2019（45）：256-257.
[3] 郑三婷.浅谈Proteus仿真软件在单片机教学和电路设计中的应用[J].电子测试，2019（10）：139-140.
[4] 王尔申，庞涛，李鹏，等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，30（3）：78-81.
[5] 孙鹏，姜艳红，崔承毅，等.Proteus仿真软件在“实用单片机技术与实践”课程中的教学实践与探索[J].工业和信息化教育，2018（1）：65-68，73.
【通联编辑：梁书】
收稿日期：2021-05-12
基金项目：国家新工科研究与实践项目（E-DZYQ20201426）;2021年度广西高等教育本科教学改革工程项目（2021JGA328）;梧州学院校级教育教学改革工程立项项目（Wyjg2019B012、Wyjg2019A087）
作者简介：甘辉（1988—），男，广西南宁人，工程师，硕士，研究方向为信息处理及机器智能;通信作者：吕美妮（1991—），女，广西贵港人，助教，硕士，研究方向为数字图像处理。
