Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

姜 穎

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 300131)

Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

姜 穎

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 300131)

Proteus軟件的引入能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰跋到y(tǒng)開(kāi)發(fā)能力。介紹了Proteus軟件的特點(diǎn)以及在單片機(jī)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

Proteus;單片機(jī);仿真;虛擬實(shí)驗(yàn)室

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,對(duì)高校電子技術(shù)教學(xué)改革也起到了巨大的推動(dòng)作用,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用主要是電子工作平臺(tái)EDA軟件的使用,常見(jiàn)的EDA軟件主要有:Pro2 tel、Multisim、Pspice、OrCAD等,Proteus軟件和我們手頭的其他電路設(shè)計(jì)仿真軟件最大的不同在于它的功能不是單一的。它的強(qiáng)大的元件庫(kù)可以和任何電路設(shè)計(jì)軟件相媲美;它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美,且獨(dú)特的單片機(jī)仿真功能是Multisim及其他任何仿真軟件都不具備的;它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但強(qiáng)大,而且每種功能都不遜于同類軟件,是教學(xué)和科研中難得的一個(gè)工具軟件。

一、Proteus軟件介紹

Proteus軟件是由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件,已有近20年的歷史,在全球得到了廣泛的應(yīng)用。Proteus軟件的功能強(qiáng)大,它集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身,不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,并且功能齊全,界面多彩,是近年來(lái)備受電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計(jì)與仿真軟件。

在Proteus中,從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計(jì)一氣呵成,真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus的仿真結(jié)果與實(shí)際誤差很小,非常適合電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者和高校學(xué)生自學(xué)使用,縮短了設(shè)計(jì)周期,降低了生產(chǎn)成本,提高了設(shè)計(jì)成功率。Proteus軟件的ISIS原理圖設(shè)計(jì)界面同時(shí)還支持電路的VSM(虛擬仿真模式)。當(dāng)電路元件在調(diào)用時(shí),選用具有動(dòng)畫(huà)演示功能的器件或具有仿真模型的器件,當(dāng)電路連接完成無(wú)誤后,直接運(yùn)行仿真按鈕,即可實(shí)現(xiàn)聲、光、動(dòng)等逼真的效果,以檢驗(yàn)電路硬件及軟件設(shè)計(jì)的對(duì)錯(cuò),非常直觀。同時(shí)Proteus還提供了豐富的虛擬工具,如示波器、邏輯分析儀等,用戶借助這些虛擬工具可以直接觀察電路系統(tǒng)的硬件結(jié)果,盡管虛擬儀器的精度有限,但整個(gè)操作過(guò)程如同利用硬件仿真器和其他測(cè)試儀器直接進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā),還可以根據(jù)虛擬儀器的結(jié)果直接進(jìn)行源代碼的調(diào)試,以上過(guò)程不同于純粹的軟件仿真?zhèn)戎赜谒惴ǖ尿?yàn)證,這種仿真過(guò)程可以給用戶帶來(lái)直接的硬件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。因此用Proteus實(shí)現(xiàn)單片機(jī)及外圍電路的仿真非常方便,如單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng),模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)外圍電路仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤(pán)和LCD系統(tǒng)仿真等。

二、Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

單片機(jī)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái),以其體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、便攜性、抗干擾能力強(qiáng)以及靈活的控制能力取得了迅速的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域遍及工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、儀器、儀表、數(shù)控機(jī)床等各個(gè)方面。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了電子、通信、計(jì)算機(jī)、機(jī)電一體化等行業(yè)的快速發(fā)展,成為當(dāng)前教學(xué)和科研的熱門技術(shù)。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,采用硬件仿真器、實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板,需采購(gòu)大量的、昂貴的硬件設(shè)備,而且設(shè)備維護(hù)工作量也非常大。由于單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)涉及到數(shù)字電子、模擬電子、計(jì)算機(jī)甚至通信等多學(xué)科的知識(shí),實(shí)踐性又很強(qiáng),在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須軟件硬件相結(jié)合,也就是將單片機(jī)程序和外圍電路相結(jié)合,若用實(shí)驗(yàn)箱則費(fèi)用高,又不能充分利用,若用實(shí)驗(yàn)板則開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),方案變更困難。利用Proteus仿真軟件,設(shè)計(jì)了一個(gè)符合這種要求的、純軟件的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)既可調(diào)試單片機(jī)程序,也可仿真單片機(jī)外圍器件的工作情況;既能充分利用學(xué)校計(jì)算機(jī)房現(xiàn)有計(jì)算機(jī),減少硬件設(shè)備的維護(hù)工作量,還可為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。借助Proteus的對(duì)CPU和外圍電路強(qiáng)大的仿真能力以及豐富的資源庫(kù),可以有效地替代硬件仿真器進(jìn)行先期的軟硬件調(diào)試,等到仿真結(jié)果基本理想時(shí)再進(jìn)行實(shí)際的硬件調(diào)試,這樣的開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅高效,而且可以盡可能地減少損失,這對(duì)于解決實(shí)驗(yàn)室資源緊張的問(wèn)題是一個(gè)很好的思路。對(duì)于剛接觸單片機(jī)的學(xué)生來(lái)說(shuō),擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一套Proteus軟件,就可以很好地開(kāi)展單片機(jī)的入門學(xué)習(xí),還可以積累一些實(shí)用的硬件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐表明,Proteus軟件的引入能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰跋到y(tǒng)開(kāi)發(fā)能力。以下是Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。

1.將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)

在單片機(jī)教學(xué)中通常用實(shí)例來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,老師在上課的時(shí)候往往要向?qū)W生列舉大量的實(shí)例說(shuō)明單片機(jī)技術(shù)的實(shí)用性及其應(yīng)用的廣泛性。為了增強(qiáng)直觀效果,借助幻燈片展示大量的單片機(jī)制作產(chǎn)品的圖片;此外還會(huì)將往屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)作品和老師在平時(shí)教學(xué)工作中制作的小系統(tǒng)拿到課堂上供學(xué)生觀看。這些舉措確實(shí)能起到一定的效果,但這些圖片和作品所展現(xiàn)的內(nèi)容畢竟有限,學(xué)生很難領(lǐng)悟到單片機(jī)在這些制作中的作用與地位。在引入Proteus之后,教師可以引領(lǐng)學(xué)生從搭建硬件電路開(kāi)始,一步一步通過(guò)測(cè)試電路、編寫(xiě)程序、調(diào)試程序等最終實(shí)現(xiàn)想要的結(jié)果。使學(xué)生能更真切地感受到和老師一起對(duì)單片機(jī)的軟、硬件資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

利用Proteus增強(qiáng)教學(xué)直觀效果,提高課時(shí)利用率,在單片機(jī)課堂教學(xué)中,教師經(jīng)常需要對(duì)單片機(jī)和接口芯片引腳的電平變化進(jìn)行分析,傳統(tǒng)的講解方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不直觀。雖然可以借助 Keil C等仿真軟件來(lái)觀察各端口的變化,但顯示的只是0、1兩種狀態(tài),直觀性不是很強(qiáng)。Proteus具有用色點(diǎn)顯示芯片管腳狀態(tài)的功能,教師可通過(guò)單步調(diào)試的方法讓學(xué)生觀察引腳的高低電平變化。另外,還可以通過(guò)示波器、邏輯分析儀和發(fā)光二極管等進(jìn)行觀察。加深印象增強(qiáng)講課的生動(dòng)性和直觀性,提高課時(shí)利用率。

此外還可以借助Proteus化解單片機(jī)教學(xué)中的一些難點(diǎn),例如串行通訊是一個(gè)難點(diǎn),傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難使學(xué)生透徹理解雙機(jī)通訊、多機(jī)通訊以及PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊過(guò)程。實(shí)驗(yàn)條件也限制了這些通訊過(guò)程的演示。甚至有的老師在講到串行通訊時(shí)一帶而過(guò),不加強(qiáng)調(diào)。因此,串行通訊這一難點(diǎn)往往沒(méi)有成為教學(xué)的重點(diǎn),而在實(shí)際應(yīng)用中串行通訊卻使用的十分廣泛。有了Proteus之后,這一問(wèn)題便迎刃而解。

圖1

用Proteus制作的單片機(jī)雙機(jī)通訊例子如圖1所示,通過(guò)對(duì)硬件電路和程序代碼的分析,學(xué)生對(duì)單片機(jī)之間的通訊有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

2.用Proteus改進(jìn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng),實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)也就尤為重要。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)只能在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上完成設(shè)備現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)往往是一上來(lái)先熟悉一下實(shí)驗(yàn)箱固有的操作流程,然后用導(dǎo)線連接電路,最后無(wú)論是點(diǎn)亮了數(shù)碼管,還是蜂鳴器能發(fā)出聲音,只是演示一下就算完成任務(wù),很少追究實(shí)驗(yàn)本身所體現(xiàn)的問(wèn)題,也不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解相關(guān)的理論知識(shí)。大部分學(xué)校所使用的實(shí)驗(yàn)箱都提供一些固有實(shí)驗(yàn),當(dāng)然也可以在實(shí)驗(yàn)箱上開(kāi)發(fā)出其他實(shí)驗(yàn),但是制約學(xué)生的是實(shí)驗(yàn)箱上幾乎所有硬件電路的連接都被封裝在箱體內(nèi)部,學(xué)生雖然熟悉了實(shí)驗(yàn)步驟和操作,但在不了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)的構(gòu)成及軟硬件資源的情況下不可能去開(kāi)發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn),僅停留在演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的層次。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后,對(duì)實(shí)驗(yàn)的具體硬件電路和程序編寫(xiě)知之甚少。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以在開(kāi)放單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)將Proteus軟件引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。要求學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課之前運(yùn)用Proteus軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行仿真,在設(shè)計(jì)硬件電路和編寫(xiě)程序時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)箱的資源狀況,以確保仿真的結(jié)果可以在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)。而Proteus所提供的元器件模型、外設(shè)模型和儀器儀表完全可以滿足這一要求。學(xué)生如果按照這種方法將所有實(shí)驗(yàn)做一遍,就相當(dāng)于自己設(shè)計(jì)了若干個(gè)最小應(yīng)用系統(tǒng),收獲可想而知。學(xué)生在PC機(jī)上仿真成功后再用實(shí)驗(yàn)箱做實(shí)驗(yàn),能夠做到目的明確,思路清晰,軟硬件理解透徹,收到很好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.用Proteus改革單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

Proteus在仿真實(shí)驗(yàn)中的成功應(yīng)用為課程設(shè)計(jì)改革提供了很好的思路和方法。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程較為復(fù)雜,一般要經(jīng)過(guò)項(xiàng)目分析、電路設(shè)計(jì)、電路板制作、元器件安裝焊接、硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試等步驟。若出現(xiàn)問(wèn)題,有時(shí)需要對(duì)硬件和軟件進(jìn)行反復(fù)的修改。費(fèi)時(shí)費(fèi)力的開(kāi)發(fā)過(guò)程往往容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)中受挫,而且由于受開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)速度的影響,學(xué)生不可能得到充分的訓(xùn)練。一直以來(lái),人們渴望能夠借助PC機(jī)在虛擬環(huán)境下完成上述的所有過(guò)程,待方案成熟、排除一切不確定性因素之后再進(jìn)行實(shí)際的制作。Proteus的出現(xiàn)使這一設(shè)想成為可能。在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中,教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)愛(ài)好和掌握知識(shí)的程度自由發(fā)揮設(shè)計(jì)題目,培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。教師與學(xué)生共同探討方案的可行性之后,由學(xué)生在Proteus軟件中進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì),編制程序并調(diào)試。等仿真成功之后,由學(xué)生購(gòu)買元器件并進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化,最終完成一件作品。

將Proteus軟件引入單片機(jī)教學(xué)中,實(shí)踐表明,這種方法效果顯著,主要體現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲,實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烷_(kāi)發(fā)能力較以前有了較大提高。在大學(xué)生電子技能大賽的備戰(zhàn)培訓(xùn)過(guò)程中Proteus軟件的應(yīng)用也相當(dāng)明顯,學(xué)生需要集中時(shí)間練習(xí)的小模塊、小系統(tǒng)比較多,不可能每一個(gè)都去制作電路板,每一個(gè)都去做實(shí)物,那樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力又浪費(fèi)經(jīng)費(fèi),此時(shí),利用Proteus進(jìn)行仿真無(wú)疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。同時(shí),Proteus軟件的引入將使學(xué)生在走出校門,離開(kāi)老師,離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室(臺(tái)),遇到工作中的實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候知道如何下手?？傊?Proteus的出現(xiàn)為我們學(xué)習(xí)和使用單片機(jī)提供了一條有效的途徑,但要注意的是,仿真不能完全代替實(shí)物,在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多新的問(wèn)題,我們不可能拋棄已有的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)手段而僅僅依靠虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。將Proteus軟件的使用再配合小系統(tǒng)、小模塊的引入將使單片機(jī)教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

[1]侯玉寶.基于Protues的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]朱清慧.Proteus教程——電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[3]蔣輝平.基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

Application of Proteus Software in the Teaching of Single-chip Microcomputer

JIANG Ying
(Tianjin Vocational Technical Institute of Machinery and Electricity,Tianjin 300131 China)

Introduction of the Proteus software makes up for the deficiency of traditional teaching mode,which helps to stir students’interest,culture student’s talent in experimentation and system devel2 opment.Characteristic of Proteus and its application in different phase of Single-chip Microcomputer teaching are introduced in the paper.

Proteus;Single-chip Microcomputer;simulation;virtual lab

G712;T937

A

1673-582X(2010)03-0058-03

2009-12-20

姜穎(1978-),女,天津市人,天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),電子仿真等教學(xué)工作。