基于Proteus的電類綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)建*

楊增汪 陳 斯 戴新宇

徐州師范大學(xué) 江蘇徐州 221116

基于Proteus的電類綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)建*

楊增汪 陳 斯 戴新宇

徐州師范大學(xué) 江蘇徐州 221116

實驗平臺是實現(xiàn)實驗教學(xué)、促進(jìn)學(xué)科發(fā)展、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基地。通過分析目前電子類實驗室平臺建設(shè)存在的缺陷，重點闡述了電類綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)成、特點及接口方案，并通過實例介紹該實驗系統(tǒng)在電子技術(shù)方面的應(yīng)用。

Proteus；綜合實驗系統(tǒng)；仿真

近年來，隨著就業(yè)競爭日趨激烈，企業(yè)對大學(xué)畢業(yè)生的知識、技能等要求更高，特別是技術(shù)素養(yǎng)、實際運用及創(chuàng)新能力。作為高等教育中培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實踐和實驗教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。長期以來,電子類學(xué)科專業(yè)所采取的實驗教學(xué)的手段和方法，難以達(dá)到預(yù)期的效果。因此，建立一套新的實驗平臺及方法已成為人們的共識。

一、目前電類實驗存在的問題

1.實驗室多,設(shè)備多,投資大,維護(hù)不便,更新困難

通常電子類實驗室種類繁多。在每一類實驗室中，不僅有各種設(shè)備，還有各種為數(shù)不少的實驗箱或?qū)嶒灠?，這些實驗必備的硬件，根據(jù)其功能價格從幾百元到幾千元不等。對于大多數(shù)的學(xué)校而言，要建立一個滿足教學(xué)需求的電子類實驗室都是一個很大的投資。同時，電子技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器設(shè)備易落后、老化，難以跟得上知識的更新，維護(hù)也極為不便。

2.實驗功能單一，措施封閉，效果不佳

現(xiàn)有電子類實驗大多采取一種封閉式、孤立的實驗教學(xué)模式，即在規(guī)定的課時時間內(nèi)，學(xué)生在規(guī)定的場地內(nèi)，進(jìn)行規(guī)定的實驗內(nèi)容。這種實驗教學(xué)模式難以滿足教學(xué)內(nèi)容的要求，打斷了教學(xué)的連續(xù)性，難以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，扼殺了學(xué)生創(chuàng)新思維能力，其實驗效果難以提高。

3.不利于學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前實驗平臺往往采取成品實驗板或?qū)嶒炏?。其中的電路、集成塊、單片機、接口等都已經(jīng)固定，擴展搭建電路不方便，學(xué)生難以參與細(xì)節(jié)設(shè)計。大多是用于做一些驗證性的實驗，不能激發(fā)學(xué)生的嘗試創(chuàng)造的熱情，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識培養(yǎng)，更不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、綜合實驗系統(tǒng)

1.Proteus簡介

Proteus是英國Labcenter electronics公司始于1989年開發(fā)的EDA工具軟件，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它除了具有和其他EDA工具一樣的原理圖設(shè)計、PCB布線及電路仿真功能外，更主要的是包含了革命性的VSM(虛擬系統(tǒng)模型)技術(shù)，用戶可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真。Proteus VSM將處理器模型、Prospice混合電路仿真、虛擬儀器、高級圖形仿真、動態(tài)器件庫和外設(shè)模型、處理器仿真器、第三方的編譯器和調(diào)試器等有機結(jié)合起來，第一次實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、處理器代碼調(diào)試及實時仿真、系統(tǒng)測試及功能驗證到生成PCB的整個開發(fā)過程。

Proteus可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola68系列等常用MCU及其外圍電路(如LCD、RAM、ROM、KEYBOARD、MOTOR、LED、AD/DA、部分SPI、I2C等器件)。還可以仿真基于ARM7內(nèi)核的Phillips LPC2000系列32位處理器的嵌入式系統(tǒng)的所有功能。另外在編譯調(diào)試方面，支持Keil和MPLAB等第三方集成開發(fā)工具。

2.綜合實驗系統(tǒng)

電類綜合實驗系統(tǒng)主要由電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、單片機原理、微機原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)(ARM)仿真與設(shè)計等6個子系統(tǒng)和1個創(chuàng)新實驗基地構(gòu)成。在子系統(tǒng)的平臺上均可進(jìn)行相應(yīng)電路設(shè)計、仿真、調(diào)試等通常在相應(yīng)實驗室完成的具有驗證性質(zhì)的基礎(chǔ)實驗和相關(guān)課程的綜合設(shè)計實驗；創(chuàng)新實驗平臺著眼于提高學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)，服務(wù)于畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計競賽以及學(xué)生自我能力發(fā)展等方面。

3.綜合實驗系統(tǒng)的優(yōu)點

基于Proteus的電類綜合實驗系統(tǒng)的主要優(yōu)點：⑴實驗形式多功能、內(nèi)容全面。實驗系統(tǒng)既可仿真各種電子類實驗，又可仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)(單片機原理、ARM應(yīng)用系統(tǒng))的仿真實驗，其內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C等語言的調(diào)試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型。⑵硬件投入少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。Proteus所提供的元件庫中，大部分可以直接用于電路搭建，同時該軟件所提供儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。如果在實驗教學(xué)中投入這樣的真實儀器儀表，僅儀表維護(hù)一項，工作量已是比較大的。⑶實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題。在傳統(tǒng)的實驗過程中，都涉及到因操作不當(dāng)而造成的元器件和儀器儀表的損毀，也涉及到儀器儀表等在工作時所造成的能源消耗。采用Proteus仿真軟件進(jìn)行的實驗，則不存在上述問題，其在實驗過程中是比較安全的。⑷有利于學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。學(xué)生除了可對書本中的實驗進(jìn)行反復(fù)驗證外，還可以將學(xué)到的知識進(jìn)行綜合，發(fā)揮其想象力，編制自己的方案，實現(xiàn)自己想達(dá)到的設(shè)想。有了失敗就有了教訓(xùn)，實際設(shè)計中就可以少走彎路；經(jīng)過多種方案的仿真、實踐，今后才可能設(shè)計出比別人更好的產(chǎn)品，進(jìn)而創(chuàng)造出新品。⑸低投入、高回報，便于管理、維護(hù)。由于其核心為Proteus仿真軟件，無實驗損耗，其管理、維護(hù)簡便。

三、實驗系統(tǒng)與Keil集成開發(fā)環(huán)境的接口

1.Keil μVision3簡介

Keil軟件公司是嵌入式開發(fā)工具的專業(yè)制造商。最初作為51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)的Keil μVision系列集成開發(fā)環(huán)境（IDE）,已是國內(nèi)最流行的嵌入式軟件開發(fā)平臺。為了更好地支持32位微處理器的開發(fā)，Keil又推出了Keil μVision3（即Keil C51 8.X 版本）。μVision3平臺的人機交互界面非常友好,而且編譯器性能優(yōu)異,編譯出代碼的大小、執(zhí)行速率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性均領(lǐng)先于市場上同類產(chǎn)品。

2.Proteus與Keil集成開發(fā)環(huán)境的接口

⑴首先確認(rèn)電腦是否已經(jīng)正確安裝了TCP/IP協(xié)議，可以使用“Ping”命令確認(rèn)；依次分別安裝Proteus和Keil μVision3；接著安裝實現(xiàn)前述二者聯(lián)調(diào)的插件，對于Proteus6.9及以上版本只需安裝官方提供的 “vdmagdi.exe” 程序。

⑵Keil的設(shè)置。啟動Keil μVision3，建立或打開一個工程，選擇“Project”菜單的“Option for Target‘Target 1’”，在“Debug”標(biāo)簽右欄上部下拉列表框中選中“Proteus VSM Simulator”，再單擊一下“Use”前面表明選中的小圓點。單擊右側(cè)“Settings”按鈕，設(shè)置通信接口，在“Host”后面默認(rèn)本機IP地址“127.0.0.1”。如果Proteus運行在另一臺PC 機上，則在彈出的對話框中填入另一臺PC機的IP地址。端口號都選擇默認(rèn)的“8000”。點擊“確定”即可完成上述設(shè)置。

⑶Proteus的設(shè)置。運行Proteus的ISIS，鼠標(biāo)左鍵點擊菜單“Debug”，選中“Use Romote Debuger Monitor”項。

⑷在ISIS中畫好相應(yīng)的仿真電路圖，或者打開一個設(shè)計好的文件，然后打開Keil，編寫程序并編譯通過后(為方便起見，可把Keil的工程和Proteus的文件放到同一個目錄下)，單擊“Debug”菜單下的“Start/Stop Debug Session”項或按“Ctrl+F5”進(jìn)入調(diào)試界面。此時可單步、全速運行程序，并進(jìn)行調(diào)試，同時可以觀察Proteus中目標(biāo)板的運行情況。

四、基于Proteus的電類綜合實驗系統(tǒng)實驗實例

1.模擬電路分析實驗實例

圖1為基于Proteus電類綜合實驗系統(tǒng)的RC橋式正弦波發(fā)生器實驗仿真界面。其實驗過程包括：在ISIS中創(chuàng)建電路圖、虛擬硬件參數(shù)設(shè)置、電氣檢測、添加虛擬4通道示波器，進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試完畢還能基于電路圖生成PCB板，用戶直接利用生成的PCB工藝文件制作PCB板。

圖1 RC橋式正弦波發(fā)生器實驗仿真界面

在圖2左上方的電路原理圖中，振蕩頻率可由公式f＝1/(2π×R3×C1)算出。調(diào)節(jié)可變電阻器RV1(0～20K),可使電路滿足起振條件(R2＋20K×X%)/(R1)＞2，當(dāng)略大于2時有較好的正弦波輸出，波形見圖2右上方?？捎锰摂M示波器提供的測試游標(biāo)測得周期為192.50ms，接近計算出的周期。在仿真中若緩緩調(diào)小可變電阻器的值，可實時觀察到因不滿足起振條件而導(dǎo)致正弦振動轉(zhuǎn)入停振的過程；此時再緩慢增大RV1，則可實時觀察到電路由停振到起振直至輸出穩(wěn)定波形的過程，上述仿真的輸出分見圖2下方的左、右圖。

圖2 MCS－51應(yīng)用系統(tǒng)仿真實驗界面

2.單片機應(yīng)用綜合設(shè)計實驗實例

圖2為基于Proteus電類綜合實驗系統(tǒng)的MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)仿真實驗界面。該綜合設(shè)計實驗是利用單片機AT89C51和8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808設(shè)計一個數(shù)字電壓表，能夠測量0～5V之間的直流電壓，并通過4位數(shù)碼顯示。

在實驗中,學(xué)生一方面需掌握89C51單片機的內(nèi)部、外部資源、工作系統(tǒng)構(gòu)成情況，利用其外部總線實現(xiàn)對采集信號的輸入及顯示器件LED的數(shù)據(jù)寫入；另一方面還需掌握外部器件A/D轉(zhuǎn)換器、4位7段LED顯示器等的使用方法；另外，學(xué)生還需熟悉89C51單片機的指令系統(tǒng)及編程方法。此外，通過電路原理圖的設(shè)計、編程、調(diào)試、PCB設(shè)計及軟硬件的設(shè)計驗證，可以加深學(xué)生從概念到產(chǎn)品的設(shè)計全過程的認(rèn)知。

3.嵌入式系統(tǒng)(ARM)實驗實例

圖3為基于Proteus電類綜合實驗系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)(ARM)仿真實驗界面。該實驗仿真以Philips公司的ARM7處理器LPC2106為核心，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,即當(dāng)ARM通過串口接收到8字節(jié)數(shù)據(jù)時,立即把接收到的數(shù)據(jù)原封不動的發(fā)送到主機，通過虛擬終端實現(xiàn)顯示。通過實驗系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)(ARM)的學(xué)習(xí)作為一種新的思路和方法具有普遍意義。對于ARM學(xué)習(xí)者，尤其是在校的大學(xué)生，沒有ARM實驗箱也可以學(xué)習(xí)ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；同時還沒有實驗時間、內(nèi)容的局限性，使學(xué)習(xí)者能夠充分發(fā)揮自身的主動性。

圖3 嵌入式系統(tǒng)(ARM)仿真實驗界面

五、結(jié)束語

基于Proteus電類綜合實驗系統(tǒng)的的方案是切實可行的。采用虛擬實驗的方式，不僅能夠解決實驗室設(shè)備資金短缺和維護(hù)困難的問題，而且使學(xué)生能夠利用課余時間進(jìn)行實驗，充分鍛煉了學(xué)生的動手能力，明顯提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力及創(chuàng)新開發(fā)能力，同時也將極大地提高了學(xué)生未來適應(yīng)工作崗位的能力。

[1]匡載華，鄧小鵬．電子類學(xué)科專業(yè)Proteus實驗室的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2009，26(1)：155～158

[2]袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的單片機課程教學(xué)與實驗改革[J].實驗室研究與探索，2007，26(7)：75～78

[3]周潤景，張麗娜，劉映群.Proteus入門實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007

[4]張齊，朱寧西.單片機系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008

[5]周潤景，袁偉亭.基于Proteus的ARM虛擬開發(fā)技術(shù)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007

The construction of integration laboratory system for electronic subject based on proteus

Yang Zengwang, ChenSi, Dai Xinyu
Xuzhou normal university，Xuzhou，221116，China

Laboratory platform is an important base for enhancement of experiment teaching, promotion of academic development,cultivation of the talent innovation.By analyzing the defects of the existing electronic subject laboratory,the paper expounds the construction、feature and interface of integration laboratory system for electronic subject in particular, and introduces its application in electronic technology by three examples.

proteus；integration laboratory system；simulation

2010-03-20

楊增汪,碩士，講師。

*江蘇省2008年高校自然科學(xué)研究計劃項目(08KJB140010)，徐州師范大學(xué)2008年實驗室建設(shè)課題(L0819)。