基于Proteus軟件的虛擬實驗室的構建

李文順 尚廷義 席桂清

摘 要：Proteus進行硬件仿真是學習模電、數(shù)電和單片機課程比較快捷、有效的方法，而且可以很好的去理解和掌握硬件特征。構建了以此軟件為中心的虛擬實驗室，通過該軟件仿真實例來進一步說明該實驗室很方便性和高效性。

關鍵詞：Proteus；仿真；虛擬實驗室

Proteus是英國的Labcenter Electronics公司開發(fā)的軟件，主要功能是仿真各種模擬和數(shù)字、交流和直流的電路軟件。Proteus軟件把單片機仿真與電路仿真相結合，直接在基電路原理圖的元器件上調(diào)試和編寫單片機程序。仿真庫里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托羅拉68MH1系列、MSP430系列以及ARM7等常用的嵌入式控制器和嵌入式處理器[1]。Proteus能夠很好的對單片機外圍擴展芯片進行仿真，如數(shù)碼管顯示器、LCD顯示模塊、總線驅動器、各種可編程外圍接口芯片、矩陣式鍵盤、實時的時鐘芯片以及各種D/A和A/D轉換器等?，F(xiàn)在許多開發(fā)環(huán)境都是軟、硬件結合，那么此款軟件可視化的相互仿真[2]。該軟件平臺既可以模擬仿真的硬件系統(tǒng)，而且還可以把編譯好的程序裝入仿真芯片。通過仿真系統(tǒng)的運行，可以與焊接好的硬件系統(tǒng)的電路板一樣看到運行的效果。

1 虛擬實驗室的構建

虛擬實驗室的概念是由美國的University of Virginia的William Wolf教授于1989年提出的。它是利用計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗室環(huán)境，借助于圖像仿真與虛擬現(xiàn)實等技術在計算機上創(chuàng)建一個可視化的虛擬實驗環(huán)境[5]。

結合實際情況虛擬實驗室的構建主要是以Proteus軟件為核心，是以建立電子技術基礎實驗、單片機實驗的虛擬實驗室。學院購買了正版的Proteus軟件，以及實驗室里面配備相應的微型計算機。學院共五個專業(yè)，模電、數(shù)電和單片機課程基本上都開設，這樣不僅可以為學生提供便利，而且讓學生按照自己的思路去進行電路的設計，可以很方便為開設更多的綜合性與設計性試驗打下基礎。

在教學的過程中，教師利用多媒體資源，給學生演示例題、試驗仿真效果。使學生增加對本門課程的興趣，從而更好的掌握學習內(nèi)容。特別是對單片機課程，完全可以在虛擬實驗室進行授課。另外一個的優(yōu)勢是可以為學生省下很多資金去購買電子元器件，這樣不僅學生可以很好的去學習這門課程，而且教師可以用此軟件去做一些項目的仿真，這樣大大可以節(jié)省時間和一些不必要的項目開銷。

2 教學實例

2.1 利用555多諧振蕩器設計一個輸出為10Hz的方波

在電容的C1一端和555的輸出端3分別連接示波器的A，B端，如圖1。單擊仿真按鈕，自動彈出示波器界面。通過選擇和調(diào)整相應按鈕和按鈕，把電容的充放電波形圖和輸出方波顯示出來。單擊仿真停止按鈕，示波器自動關閉，最好不要在示波器上關閉示波器，否則下次仿真運行時示波器不會再出現(xiàn)，需要從主菜單的“Debug”→“Digital Oscilloscope”中調(diào)出[3]。而在實際電路中，需要很多電子元器件和示波器。學生很快的就可以看到仿真的結果。

2.2 利用軟件仿真超聲波測距

2.2.1 超聲波測距原理

2.2.2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)是由單片機與超聲波模塊構成，以發(fā)射接收信號實現(xiàn)測距，如圖2。使用單片機來實現(xiàn)對程序的控制，超聲波模塊主要負責接收信號和發(fā)射信號。仿真過程中，通過給P2.7加一個開關，模擬測距返回的Echo信號。這在一定程度上突破仿真軟件沒有系統(tǒng)所使用器件模型的局限性。仿真主要用于測試系統(tǒng)其他部分，連接上測距模塊后，可以一步檢測距離計算與顯示的準確性。

實驗室建立主要實驗有：（1）單片機最小系統(tǒng)的設計；（2）用P0口點亮二極管與流水燈實驗；（3）用二極管燈顯示加、減、乘、除法結果；（4）利用定時器顯示秒表；（5）獨立鍵盤與矩陣鍵盤控制數(shù)碼管顯示數(shù)字；（6）串行口通信方式1的單工通信控制流水燈顯示；（7）電子鐘的設計（綜合性實驗）；（8）多機通信實驗（綜合性實驗）。結合實際情況進行仿真實驗室內(nèi)容的擴展，不斷的更新和提高仿真的深度，從而培養(yǎng)更多的學生。

3 結束語

通過Proteus仿真軟件可以看出，用這種純軟件的方法來取代傳統(tǒng)的單片機開發(fā)硬件電路和軟件仿真相結合的方法，從而避免了因焊接電路板帶來的一些不確定性的因素。大大的縮短了程序開發(fā)的周期。投資少，有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，而且不受必須到實驗室才能做實驗條件限制。從而為學校培養(yǎng)綜合型的電子信息類學生創(chuàng)造了良好的基礎環(huán)境。

參考文獻

[1]張毅剛.基于Proteus的單片機課程的基礎實驗與課程設計[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]趙廣元.Proteus輔助的單片機原理實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3]朱清慧.Proteus教程-電子線路設計、制版與仿真（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]丁平，馬曉明.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的建立[J].電子質量，2011，5：72-74.

[5]肖令祿，朱志平.基于Proteus和Keil C的MCS-51單片機虛擬實驗室的建立[J].科技信息，2009，31：101.

作者簡介：李文順（1980-），男，江蘇銅山人，黑龍江八一農(nóng)墾大學電子信息工程系，講師，碩士學位，本課題為校級教改課題。