淺談Proteus VSM在數(shù)字邏輯課程教學(xué)中的應(yīng)用

◆邵平凡

(武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)

淺談Proteus VSM在數(shù)字邏輯課程教學(xué)中的應(yīng)用

◆邵平凡

(武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院)

本文從數(shù)字邏輯課程的特點(diǎn)、現(xiàn)狀及教學(xué)需求出發(fā)，介紹了引入Proteus VSM的必要性及其在實(shí)際教學(xué)過程中取得的效果，充分說明了Proteus VSM在該課程教學(xué)中的作用。

組合邏輯 時(shí)序邏輯 虛擬系統(tǒng)模型

一、前言

數(shù)字邏輯是數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的簡稱，是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要內(nèi)容是用數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)，包括組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路及其混合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)技術(shù)。不管是什么樣的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，無非是由具有各種邏輯功能的邏輯部件組成的，但在設(shè)計(jì)過程中一定需要進(jìn)行各種單元電路和系統(tǒng)整體的實(shí)驗(yàn)和測試，以確保邏輯正確，時(shí)序無誤，并且性能良好。

需要實(shí)驗(yàn)和測試，就需要相應(yīng)的邏輯元器件來構(gòu)建電路，還需要測量、測試及輔助分析用的儀器設(shè)備，當(dāng)然也需要相應(yīng)的電源、信號(hào)源等。如果一切都需要真材實(shí)料，毫無疑問是一般學(xué)習(xí)者無法解決的問題。因?yàn)閷W(xué)校的教學(xué)資源有限，即使是在校的大學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室的資源也不可能滿足其所有需求，對于校外的其他學(xué)習(xí)者就更加困難。因此，尋找一種接近實(shí)際的虛擬系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和測試的工具，會(huì)對學(xué)習(xí)者有很大的幫助，只有通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，才可能加深學(xué)習(xí)印象，提高學(xué)習(xí)效果，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，明確電路的設(shè)計(jì)性能。

Proteus VSM(Virtual System Model，虛擬系統(tǒng)模型)正好可以滿足學(xué)習(xí)者的這些需求，它是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的一款EDA軟件，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的仿真平臺(tái)。Proteus軟件具有多種元件庫，其中的元器件大多均可直接用于實(shí)際電路的搭建，而且該軟件提供了多種與實(shí)際儀器儀表用法相似的虛擬儀器設(shè)備，還有各種信號(hào)源，幾乎可以完成各類數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)、測試和輔助分析工作。由于這些虛擬元器件、儀器設(shè)備和信號(hào)源可以隨意取用，既不需要花錢購買，又接近實(shí)際實(shí)物的效果，而且不需要維護(hù)，不會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)者的誤操作或使用不當(dāng)而造成元器件和儀器設(shè)備的損壞，更不會(huì)影響到人身安全，而且仿真效果非常逼真。因此，不僅使任課老師可在課堂上以形象生動(dòng)的仿真演示提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可引導(dǎo)學(xué)生將相應(yīng)實(shí)驗(yàn)推廣至課外的任何地點(diǎn)。學(xué)習(xí)者可根據(jù)自己的需要，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從系統(tǒng)提供的元件庫中找到相應(yīng)的虛擬元件，形成自己的實(shí)驗(yàn)電路，從系統(tǒng)提供的虛擬儀器中找出自己需要的儀器設(shè)備，從系統(tǒng)提供的信號(hào)源中隨意取得所需使用的各種信號(hào)源，從而實(shí)現(xiàn)對所需電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、測試和分析，有效地解決學(xué)習(xí)過程中的各種疑難問題，提高自己的實(shí)際設(shè)計(jì)能力。

二、組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)

組合邏輯電路是由與門、或門和非門等門電路組合形成的邏輯電路，對于一些常用的組合邏輯電路，許多IC芯片制造商已經(jīng)提供了相應(yīng)的集成電路芯片，即使是一些復(fù)雜的組合邏輯關(guān)系也可以通過常用IC芯片和一些輔助門電路組合而成。

1.組合邏輯電路的分析

所謂組合邏輯電路的分析，就是根據(jù)已知邏輯電路圖，找出組合邏輯電路的輸入與輸出關(guān)系，確定在什么樣的輸入取值下對應(yīng)的輸出為1。當(dāng)然，輸入通常是多個(gè)邏輯量，而輸出可以是1個(gè)或多個(gè)。

在對組合邏輯電路進(jìn)行分析時(shí)，Proteus VSM提供了很好的仿真手段，如圖1(a)所示的組合電路，如果需要分析其輸入與輸出的邏輯關(guān)系，可以設(shè)計(jì)一些輔助電路如圖1(b)，通過三個(gè)開關(guān)的按下與彈起為電路的三個(gè)輸入端A、B、C提供不同的輸入組合，觀察不同輸入所對應(yīng)的兩個(gè)輸出端的邏輯電平，可列出真值表如表1所示。圖中所示的情況是:輸入A、B、C的值是1、0、1，而輸出 F2 的值是1，F(xiàn)1 的值是0。

圖1 組合電路及其分析方法

表1 圖1電路真值表

根據(jù)真值表可以寫出邏輯表達(dá)式:

從公式1可見，F(xiàn)1是在奇數(shù)個(gè)輸入為1時(shí)才輸出為1，而F2是兩個(gè)或三個(gè)輸入為1時(shí)才輸出1，這正是一位全加器的邏輯表達(dá)式。其中，F(xiàn)1為本位和，F(xiàn)2為向高位的進(jìn)位。對以上邏輯表達(dá)式進(jìn)行化簡可得:

這樣就與電路完全一致了。

2.組合邏輯電路的設(shè)計(jì)

組合邏輯電路的設(shè)計(jì)是組合邏輯電路分析的逆過程，即根據(jù)輸入與輸出的邏輯關(guān)系要求，設(shè)計(jì)出滿足符合要求的組合邏輯電路。

常用的組合邏輯電路包括譯碼器、編碼器、多路選擇器、比較器、加法器等，這些電路通常都有多種型號(hào)的IC芯片可供選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)通常都采用常用的IC芯片來構(gòu)建，必要時(shí)再配合一些輔助門電路，這樣的設(shè)計(jì)簡單可靠，設(shè)計(jì)方法可按常規(guī)方式進(jìn)行，但對于設(shè)計(jì)出的組合邏輯電路是否正確，就必須通過實(shí)驗(yàn)測試才能進(jìn)一步確認(rèn)，有了Proteus VSM，只需按設(shè)計(jì)電路圖將所設(shè)計(jì)的電路在Proteus的ISIS(Intelligent Schematic Input System，智能原理圖輸入系統(tǒng))中繪制出來，再配合一些輔助電路進(jìn)行仿真，就可實(shí)現(xiàn)正確性的驗(yàn)證了。

比如，設(shè)計(jì)一個(gè)8位二進(jìn)制加法器，可以用兩片74LS283來實(shí)現(xiàn)，如圖2(a)所示，具體電路的仿真結(jié)果如圖2(b)所示，在圖2(b)中兩個(gè)8位二進(jìn)數(shù)分別為:A=00001111B=0FH，B=10011111B=9FH，相加的結(jié)果通過兩個(gè)數(shù)碼管顯示為AEH。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊構(gòu)成數(shù)據(jù)輸入端的每一個(gè)LAGICSTATE圖標(biāo)，就可以像改變圖1(b)的輸入開關(guān)狀態(tài)一樣，使每一位的值在0和1之間切換，從而實(shí)現(xiàn)對不同的兩組8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行相加運(yùn)算，并將相應(yīng)結(jié)果通過LED數(shù)碼管顯示出來。其實(shí)，即使不用LED數(shù)碼管，通過仿真電平的顏色顯示也可判斷其值(紅顏色為1，藍(lán)顏色為0)。比如，從圖2(b)可見，其輸出引腳8位的值，其從高位到低位的二進(jìn)制數(shù)為1010 1110，所以顯示的十六進(jìn)制值為AEH。從U2的C4腳輸出電平可見(用LOGIC PROB)顯示，沒有向高位進(jìn)位。

圖2 8位加法器的設(shè)計(jì)與仿真

三、時(shí)序邏輯的電路分析與設(shè)計(jì)

時(shí)序邏輯電路是由觸發(fā)器和門電路組成的具有記憶功能的邏輯電路，對時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)采用Proteus VSM作為輔助手段，更能起到事半功倍的效果。

下面以設(shè)計(jì)一個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，簡要介紹其分析與設(shè)計(jì)過程。首先已知常用IC中有BCD計(jì)數(shù)器功能的IC芯片，如74HC160是同步預(yù)置數(shù)，異步清0的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，對于六十進(jìn)制計(jì)數(shù)，只需用兩片74HC160再配以少量輔助門電路即可完成。但在設(shè)計(jì)過程中，方式方法可以有多種，比如兩個(gè)BCD計(jì)數(shù)之間的計(jì)數(shù)過程是同步還是異步、如何處理進(jìn)位等。

圖3 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)之一

以圖3(a)為例，其計(jì)數(shù)過程就是異步方式，其十位的計(jì)數(shù)脈沖單純由個(gè)位的進(jìn)位提供。這種方式在仿真時(shí)，有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。其原因有二:一是由于個(gè)位的進(jìn)位RCO經(jīng)反相后給十位作為計(jì)數(shù)脈沖。剛開始工作時(shí)，由于個(gè)位的RCO為0，所以經(jīng)反相后為1，這就使得十位得到一個(gè)不應(yīng)有的進(jìn)位而產(chǎn)生了一個(gè)誤計(jì)數(shù)，其仿真如圖3(b)所示，還沒有按過按鈕時(shí)，其計(jì)數(shù)顯示結(jié)果居然是10，顯然這就是由于十位的誤計(jì)數(shù)造成的;二是由于個(gè)位的進(jìn)位RCO=D3＆D0＆T，當(dāng)計(jì)數(shù)值由0111(1000時(shí)，因電路中的競爭冒險(xiǎn)可能存在短暫的D3=D0=1的時(shí)刻，也可能導(dǎo)致十位計(jì)數(shù)器誤計(jì)數(shù)。因此需要對電路進(jìn)行改進(jìn)，將十位的計(jì)數(shù)脈沖改成同步方式，即計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)供給個(gè)位和十位，而十位的計(jì)數(shù)使能信號(hào)由個(gè)位的RCO輸出提供，十位的回零裝入信號(hào)LOAD設(shè)置為個(gè)位的RCO和十位的Q2、Q0三者的與非提供。改進(jìn)后的電路如圖4所示，在剛開始仿真時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)果顯示為00，每按一次按鈕，計(jì)數(shù)值加1，計(jì)到59時(shí)，再按一下按鈕，則計(jì)數(shù)顯示回零，這樣就達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖4 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)之二

四、數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是數(shù)字邏輯課程的一次綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)，是對本課程的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的溶匯貫通，在以往的課程設(shè)計(jì)中，由于實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)量有限，元器件也不可能滿足所有課程設(shè)計(jì)者的要求，所以學(xué)生的課程設(shè)計(jì)大多停留在理論設(shè)計(jì)上，無法進(jìn)行真實(shí)的正確性驗(yàn)證。通過引入Proteus VSM后，可以滿足所有愿意參與在該虛擬平臺(tái)上進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的學(xué)生要求。在課程設(shè)計(jì)的驗(yàn)收過程中，十多個(gè)題目都有人參與，設(shè)計(jì)結(jié)果多種多樣，但都可以保證在虛擬系統(tǒng)環(huán)境下的運(yùn)行正確，學(xué)生的興趣很大，設(shè)計(jì)完全可達(dá)到預(yù)定的要求。如圖5所示為某個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的數(shù)字時(shí)鐘的仿真運(yùn)行效果。

圖5 數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案之一

五、結(jié)語

數(shù)字邏輯是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，以往由于實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，使學(xué)生的動(dòng)手能力不能得到充分的發(fā)揮。采用了Proteus VSM后，可以很大程度彌補(bǔ)這一缺失，使教學(xué)過程與實(shí)踐環(huán)節(jié)有效結(jié)合，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。這得益于Proteus軟件擁有豐富的元器件庫、強(qiáng)大的原理圖繪制功能、逼真的仿真效果和品種齊全而且精確可靠的各種虛擬儀器儀表，因此大大地提高了教學(xué)效果，緩解的實(shí)驗(yàn)室的壓力。特別是對于改善電類課程的遠(yuǎn)程教育和多媒體教育效果，更是有著不可估量的好處。

實(shí)際上，Proteus VSM不僅可以實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)字邏輯這樣的硬件電路的設(shè)計(jì)與仿真，而且可以軟、硬件結(jié)合，因?yàn)镻roteus軟件還提供了對多種系列的單片機(jī)系統(tǒng)的支持，并且還支持第三方軟件的編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilμVision2～4。因此，在數(shù)字邏輯課程中就掌握了Proteus軟件的應(yīng)用，也就為諸如計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)技術(shù)、接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等后續(xù)課程打下了良好的基礎(chǔ)。