基于Proteus構(gòu)建硬件仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室

摘 要：傳統(tǒng)的硬件仿真實(shí)驗(yàn)室都是通過(guò)硬件仿真器配目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板的方式構(gòu)建的，這種仿真屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。本文構(gòu)建了一套基于Proteus的計(jì)算機(jī)硬件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量和效率，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及促進(jìn)學(xué)校教學(xué)的改革。

關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn)室；Proteus；硬件實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2013） 09-0000-02

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室的綜合運(yùn)用，社會(huì)對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)要求也不斷提高，學(xué)生需要很強(qiáng)的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰1]。使用Proteus軟件構(gòu)建硬件仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，不僅成本低，而且學(xué)生還可以按照自己的思路設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，完成大多數(shù)實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生的積極性和動(dòng)手能力[2-3]。利用Proteus構(gòu)建硬件仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅成本低，設(shè)備管理和維護(hù)簡(jiǎn)單，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)

2.1 Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室概念

所謂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是指利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)電路、微機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、運(yùn)行）。以虛擬設(shè)備代替實(shí)體設(shè)備、以軟件代替硬件，就是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì) [4]。

2.2 Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 Proteus虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示基于Proteus的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)架構(gòu)，該P(yáng)roteus是建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本Proteus仿真虛擬系統(tǒng)是一個(gè)從概念到產(chǎn)品的完整系統(tǒng)，從圖中可以看出，該仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真、PCB設(shè)計(jì)。

2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

由圖1可以看出，本課題的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)該計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)校內(nèi)師生可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)和使用學(xué)習(xí)。因此，將Proteus仿真系統(tǒng)服務(wù)器存放在校內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中心，與學(xué)校各師生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，可以保證本Proteus仿真系統(tǒng)的開(kāi)放性，使得學(xué)校內(nèi)更多的師生可以使用該平臺(tái)，充分發(fā)揮其多學(xué)科實(shí)驗(yàn)覆蓋的特性。該計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 Proteus軟件平臺(tái)

Proteus是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，使用Proteus軟件，可以實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、MCU混合仿真和PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除此之外，Proteus還可以進(jìn)行仿真嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，其最大的特點(diǎn)在于Proteus可以提供x86、單片機(jī)、ARM等系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

2.5 Proteus試驗(yàn)系統(tǒng)

Proteus是該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中最核心的一部分，為了增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知度以及提高學(xué)生的動(dòng)手能力和教師的教學(xué)能力，在仿真試驗(yàn)中，應(yīng)該首選利用Proteus繪制原理圖、編譯程序。而且在教學(xué)試驗(yàn)中，為了提高教學(xué)的說(shuō)服力，教師可以將自己編譯好的程序用編程器燒錄至Rom中，然后對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行運(yùn)行并觀察結(jié)果，這樣可以給學(xué)生提供仿真和驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，避免了理論脫離實(shí)際。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)對(duì)高校計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的研究與分析，充分發(fā)揮Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，本課題對(duì)x86、單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拆分，把本仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三類：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)包括MCU最小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)等以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)主要以提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的吸納和提高學(xué)生的動(dòng)手能力為主，目的在于使得學(xué)生能夠掌握書(shū)本的基礎(chǔ)知識(shí)。

綜合性實(shí)驗(yàn)包括模擬交通燈控制設(shè)計(jì)、電子萬(wàn)年歷設(shè)計(jì)、波形發(fā)生器設(shè)計(jì)、直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)等以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室基于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之上的實(shí)驗(yàn)，是在學(xué)生完成硬件課程的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)后開(kāi)設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)，主要內(nèi)容是教師給定一個(gè)課題，學(xué)生按照課題的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)與制作等。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是建立在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)之上的一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在完成硬件課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用本創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)等工作，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法通過(guò)該系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)與仿真，并對(duì)其進(jìn)行研究。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)中，一般不存在硬件電路的設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)x86、單片機(jī)的硬件部分大多數(shù)都是由電路板或者實(shí)驗(yàn)箱提供的，因此實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。然而，基于Proteus的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，所有的硬件和軟件都可以由學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，硬件的修改與軟件修改一樣簡(jiǎn)單，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)本課題的基于Proteus的硬件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)目標(biāo)：

5.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的重大改革。通過(guò)本系統(tǒng)可以進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，使得硬件實(shí)驗(yàn)得到根本性的改變。在本系統(tǒng)中，電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)、PCB設(shè)計(jì)與制作集為一體，教師和學(xué)生不再受時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備的限制，充分享受實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的知識(shí)和樂(lè)趣。

5.2 教師教學(xué)模式改革。教師在課堂上引入本仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，有利于教學(xué)課程的改革，將理論與實(shí)際聯(lián)系在一起，使得學(xué)生在最大程度上接收與掌握理論知識(shí)。

5.3 有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力。當(dāng)前學(xué)生急需培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，忽視了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，基本沒(méi)有設(shè)計(jì)到學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此普遍存在著學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)不知道如何運(yùn)用到實(shí)際生活中去。

6 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建基于Proteus的硬件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，不僅可以減少學(xué)校的硬件投入，更可以幫助學(xué)生更好的掌握理論教學(xué)知識(shí)，加深對(duì)原理的理解。學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且，本系統(tǒng)也有利于促進(jìn)教學(xué)系統(tǒng)的改革。

參考文獻(xiàn)：

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[作者簡(jiǎn)介]郭榮寧（1957-），男，山東德州人，工作單位：解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，高級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。