引 言

ARM技術是一門實踐性很強的技術，其實驗是電子類教學中十分重要的實踐教學環節，是培養學生實驗技能、創新思維的重要課程。掌握ARM技術已是電子類學生就業的一個基本條件。目前各個高校相繼開設了ARM課程，并逐步開始建立ARM實驗室。這些實驗室基本都是采用相應的硬件仿真設備來构建的，但由于ARM的种類繁多再加上資金的限制，不可能在一個實驗室包括所有种類的ARM仿真設備。虛擬實驗作為傳統實驗的重要補充，克服了諸多條件的限制，丰富了實踐性教學的手段，有利于現代實驗教學觀念的更新。

1 ARM實驗教學存在的問題

目前，ARM教學中存在如下問題：

①ARM課堂教學多以理論教學為主，教學中需要很多硬件設備，一般理論課堂難以輔助硬件進行教學，即便演示，效果也不好。

②ARM實驗作為實驗中心的基礎實驗，學生除了上課外，平時難得有机會實踐；而采用的ARM實驗設備大多是成品，學生很難參与其中的細節設計，因此學生動手能力也很難得到提高。

③配套的實驗設備多采用硬件仿真器配目標實驗板。這种配置方式直接導致該課程的實驗項目有限，實驗時間過長，設備維護工作量大等現實問題。

針對上述問題，提出利用Proteus和ADS整合构建ARM虛擬實驗室的方案。所謂“虛擬實驗室”，就是將計算机上的各种虛擬儀器，按實驗要求和設計原理，虛擬出一個与現實相同的實驗系統，進而在這個系統上完成整個實驗。与傳統實驗模式相比，虛擬實驗具有比較明顯的优勢。例如，涉及的實驗內容全面，硬件投入少，學生可自行實驗，實驗過程中損耗小，与工程實踐最為接近等。

2 ARM虛擬實驗室的构建

2.1 ARM虛擬實驗室的軟件支持

本方案主要是以Proteus軟件和ADS軟件來构建該虛擬實驗室。

Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析与實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統上，可以仿真、分析(SPICE)各种模擬器件和集成電路。該軟件的特點是：

①實現了單片机仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片机及其外圍電路組成的系統仿真，RS232動態仿真，I2C調試器，SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各种虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。

②支持主流單片机系統的仿真。目前支持的單片机類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外圍芯片。

③提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51 uVision2等軟件。

④具有強大的原理圖繪制功能。

總之，該軟件是一款集單片机和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能极其強大。

ADS(ARM Developer Suite)是ARM公司推出的新一代ARM集成開發工具。CodeWarrior for ARM是一套完整的集成開發工具，充分發揮了ARM RISC的优勢，使產品開發人員能夠很好地應用尖端的片上系統技術。該工具是專為基于ARM RISC的處理器而設計的。它可加速并簡化嵌入式開發過程中的每一個環節，使得開發人員只需通過一個集成軟件開發環境就能研制出ARM產品；在整個開發周期中，開發人員無需离開CodeWarrior開發環境，節省了在操作工具上花的時間，而有更多的精力投入到代碼編寫上來。CodeWarrior集成開發環境(IDE)為管理和開發項目提供了簡單、多樣化的圖形用戶界面。用戶可以使用ADS的CodeWarrior IDE為ARM和Thumb處理器開發用C、C++或ARM匯編語言編寫的程序代碼，還可以生成程序代碼的十六進制文件。

2.2 ARM虛擬實驗室的實驗內容和實驗過程

結合Proteus和ADS构建的虛擬實驗室能夠進行ARM涉及的所有實驗內容，其中包括中斷、流水燈、串口通信、SPI通信、脈寬調制器、看門狗、A／D轉換器、定時，以及基于μC／OS的實驗。

基于ARM虛擬實驗室的教學采用局域网多媒体教學，教師可以通過多媒体演示電路圖并講解其原理，學生根据相關實驗原理在ADS和Proteus中完成整個實驗。過程如下：

①在ADS中編寫C語言源程序；

②編譯、調試源程序，最終生成后綴為.hex的文件；

③在Proteus中設計完整的原理圖；

④將生成的.hex文件導入相應的ARM芯片。

完成以上步驟后，在Proteus中運行即可；觀察仿真結果，并檢驗是否与設計要求一致。

基于Proteus和ADS构建的ARM虛擬實驗平台提供了大量的虛擬元件供學生使用，這樣就可以在虛擬實驗教學過程中培養學生的興趣，激發學生的創造性，增強互動性，提高教學效果。

3 ARM虛擬實驗教學實例分析

下面以用LPC2131設計一個流水燈的實驗為例，介紹如何通過Proteus与ADS的整合實現對ARM外圍電路的仿真。

3.1 軟件的實現

在ADS中編寫C語言程序添加到user組中。程序如下：

將該程序進行編譯，編譯通過后，就生成后綴為.hex的文件。

3.2 硬件電路的實現

在Proteus中設計的流水燈原理電路，如圖1所示。其中用LPC2131的P1[25：18]控制LED8∼LED1，低電平點亮。將后綴為.hex的文件添加到LPC2131中，運行后觀察到的部分仿真結果与圖1完全一致。此時為8盞燈全亮。

仿真結果与設計要求完全一致，達到了預期的目的。

結 語

綜上所述，基于Proteus和ADS构建ARM虛擬實驗室的方案是切實可行的。采用虛擬實驗的方式，不僅能夠解決傳統ARM實驗室設備資金短缺和維護困難的問題，而且使學生能夠充分利用課余時間進行ARM系統的軟硬件設計，充分鍛煉了學生的動手能力。在實際運行中，取得了良好的教學效果。使用該方案進行系統虛擬開發成功之后再進行實際制作，無疑可以提高開發效率、降低開發成本、提升開發速度，具有較高的推廣應用价值。