Proteus在《微型機(jī)原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

張亞軍

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

0 引言

《微機(jī)原理》課程是電氣自動(dòng)化專業(yè)、計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，且該課程相對(duì)專業(yè)性理論的要求比較高，所以比較抽象；又是《自動(dòng)控制》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《嵌入式原理及開(kāi)發(fā)應(yīng)用》等課程的后繼課程的基礎(chǔ)，要求學(xué)生對(duì)此門功課的學(xué)習(xí)能夠扎實(shí)、勞固的掌握，可是學(xué)習(xí)過(guò)程比較困難，如果在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，只以課堂理論講述為主，而忽略了實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，這樣就讓學(xué)生感覺(jué)到課程的枯燥乏味，并且理論只是口頭論述，只能講解表面的知識(shí)，無(wú)法讓學(xué)生做到更深入的了解。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和對(duì)理論的充分認(rèn)識(shí)、勞固掌握，提高學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用Proteus軟件，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的思維活躍性有很大的促進(jìn)作用。利用這款軟件的仿真性能，讓整個(gè)教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)、形象，讓學(xué)生更加深入的了解所學(xué)知識(shí)，從而這款軟件起到更加積極的作用。Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真微處理器及外圍器件[1]。

1 幾種教學(xué)方式比較

信息化新時(shí)代下電子原件多樣化，電路的多樣化已是一個(gè)快速發(fā)展趨勢(shì)，軟件硬件更新?lián)Q代之快更是令人驚嘆。微機(jī)原理教學(xué)課程本身的教學(xué)內(nèi)容涉及到的知識(shí)非常廣泛，在教學(xué)過(guò)程的講述也是比較抽象的，并且不容易做到有效的實(shí)際演示，這樣一來(lái)學(xué)生吸收教學(xué)知識(shí)的能力大大降低，從而嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。像一些稍微復(fù)雜一些的電路知識(shí)，如果只是通過(guò)畫圖的辦法不但消耗時(shí)間并且浪費(fèi)精力，如果用PPT的形式進(jìn)行教學(xué)演示，對(duì)于整個(gè)教學(xué)內(nèi)容來(lái)說(shuō)也只是一個(gè)模糊的概述，類似這樣的軟件實(shí)際教學(xué)效率非常有限。隨之面臨的硬件教學(xué)課程局限性的弊端就不可掩蓋了。在這種傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)例演示過(guò)程中，學(xué)生接收的只是一些枯燥千篇一律的內(nèi)容，所以不能調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的求知欲望。

1.1 焊接時(shí)代的教學(xué)不足與優(yōu)勢(shì)

《微機(jī)原理》原生態(tài)的教學(xué)時(shí)代要算是通過(guò)焊接來(lái)去追求深刻地理解理論，驗(yàn)證理論，從實(shí)踐中檢驗(yàn)真理，習(xí)得真理?？茖W(xué)本省就是自然界的“道”：法則，一定事物在一起就能產(chǎn)生一定的現(xiàn)象，《微型機(jī)原理》亦是一門精神奇妙的科學(xué)。對(duì)于傳統(tǒng)的焊接時(shí)代的教學(xué)，老師教學(xué)不能借助事物很好地形象化的表達(dá)，學(xué)生面對(duì)海量的模糊理論的概念以及繁瑣焊接試驗(yàn)操作，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲有很大的副作用，同時(shí)這種通過(guò)焊接方式來(lái)練習(xí)對(duì)硬件資源也是一種極大的浪費(fèi)。

任何事物都有利與弊兩方面的存在，焊接時(shí)代《微型機(jī)原理》教學(xué)也一樣，這種原生態(tài)的教學(xué)方式所有形象化教學(xué)的限制和硬件時(shí)間的巨大花銷及不利于學(xué)生新思路創(chuàng)新的產(chǎn)生和實(shí)踐，然而它也存在不容忽視優(yōu)勢(shì)：教與學(xué)都最接近本質(zhì)時(shí)間，教和學(xué)都直擊實(shí)踐，與當(dāng)大量理論少實(shí)踐的教學(xué)模式下，這種方式無(wú)疑是直接接近本質(zhì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)箱時(shí)代教學(xué)的弊端與優(yōu)勢(shì)

相對(duì)傳統(tǒng)焊接年代的教學(xué)形式有了很大提高，學(xué)生可以通過(guò)更統(tǒng)一的電子模版——實(shí)驗(yàn)箱，在教師教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐方面有了很大地積極促進(jìn)作用。教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱能更形象化，具體化地描述理論和實(shí)踐理論，可重塑性好，學(xué)生容易試驗(yàn)，這種比較統(tǒng)一電子模版也讓學(xué)生的思路有了更廣闊的空間，能夠好地激發(fā)學(xué)生新奇思維產(chǎn)生和新事物的創(chuàng)造。然而這種比較統(tǒng)一的助教助學(xué)的電子模版的產(chǎn)生使教學(xué)有點(diǎn)遠(yuǎn)離了具體實(shí)踐的本質(zhì)，學(xué)生只能機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)箱上有限的資源來(lái)完成有限的實(shí)驗(yàn)，有點(diǎn)遠(yuǎn)離了硬件操作的本質(zhì)。

1.3 Proteus時(shí)代教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到微處理器與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。具體優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下一個(gè)方面：

一是，Proteus電路設(shè)計(jì)仿真軟件功能完善，可對(duì)一般的電路及各種電路應(yīng)用程序（如單片機(jī)程序）進(jìn)行仿真模擬。以前普遍使用的EWB，其界面，儀表功能、信號(hào)發(fā)生器等都不如人意。Proteus電路設(shè)計(jì)仿真軟件功能非常完善，其應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）發(fā)光電極管、燈泡、數(shù)碼管等器件的可發(fā)光和開(kāi)關(guān)的可開(kāi)閉及揚(yáng)聲器的可發(fā)聲，實(shí)物店魯能觀察到電路現(xiàn)象等，這些功能通過(guò)Proteus都可實(shí)現(xiàn)。（2）各種電源包括直流、交流；信號(hào)源包括正弦波，矩形波。是哪較薄，尖脈沖，音頻信號(hào)；電壓，頻率和其他各種參數(shù)都可根據(jù)需要通過(guò)Proteus設(shè)定。（3）具備各種儀表：微伏表、毫安表、安培表等電壓表；頻率計(jì)：四蹤示波器等?？傊?，實(shí)驗(yàn)室里所需要的元器件，儀器儀表都配備完善，最基本的元器件功率、耐壓、外形的差別都能體現(xiàn)出來(lái)，并可進(jìn)行四蹤示波器四路信號(hào)的實(shí)時(shí)比較。其設(shè)備之齊全，功能之完善，與以往所使用的軟件比較效果更加明顯。

二是，投資少，損耗為零，緊跟市場(chǎng)。一套常規(guī)多媒體示教平臺(tái)，裝上Proteus軟件就可以使用——成本為零。由于其安全性能好，實(shí)驗(yàn)設(shè)備損耗為零，不會(huì)出現(xiàn)因?qū)W生的誤操作損壞儀器設(shè)備的情況、能節(jié)省大量的時(shí)間用于實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和調(diào)試，并可以進(jìn)行升級(jí)，完全可以與企業(yè)的需要保持一致。

三是，直觀、真實(shí)，可以顯示演示的內(nèi)容和過(guò)程，與真實(shí)的試驗(yàn)相比毫不遜色，卻有更多的靈活性及更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如 RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI器件，部分IIC器件?；谠韴D的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。

四是，擁用多媒體數(shù)學(xué)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，與純理論數(shù)學(xué)相比，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于感性認(rèn)識(shí)的增加，學(xué)生更容易理解，可有效地按時(shí)完成教學(xué)任務(wù)。教師可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)Proteus的演示進(jìn)行問(wèn)題發(fā)現(xiàn)式、驗(yàn)證總結(jié)式教學(xué)使學(xué)生順利消化每一節(jié)課的知識(shí)。

2 Proteus+8086虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真及印刷電路板設(shè)計(jì)軟件，它應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)，可以仿真，分析各種模擬電路與集成電路。。該軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件，外部設(shè)備及各種虛擬儀器，并具有對(duì)常用控制芯片機(jī)器外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。

Proteus提供多種多樣型的虛擬仿真模型，例如VSMC for 8051,VSM for AVR,VSM for ARM7/LPC2000,VSMforPIC11/12/16/18/24/33,VSM for HC11及VSM for MSP430等。Proteus 106強(qiáng)大的設(shè)計(jì)與仿真功能被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電路，模擬電路，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)等多門課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中。但是，Proteus在微機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用卻鮮為少見(jiàn)，這主要是因?yàn)橐酝腜roteus版本缺乏對(duì)微機(jī)原理課程所設(shè)計(jì)芯片的支持。直至2009年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺(tái)及Proteus7.5 SP3軟件，支持8086微處理器與8255，8253，8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真。Proteus為8086微處理器設(shè)定了一些默認(rèn)值，同時(shí)也可以通過(guò)“編輯元器件”功能對(duì)8086模型的多種屬性進(jìn)行修改，如表所示。此外，8086模型支持將源代碼的編輯和編譯整合到統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境中[2]。

2.1 在《微機(jī)原理》理論教學(xué)中的應(yīng)用

在講述《微機(jī)原理》課程的接口芯片時(shí)，為了能讓學(xué)生掌握芯片的功能、結(jié)構(gòu)及引腳，需要借助相應(yīng)的實(shí)例進(jìn)行講解。8086的中斷系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，講解起來(lái)不容易講明白，但借助Proteus通過(guò)圖示的形式，講起來(lái)就比較直觀，而且學(xué)生的記憶也比較深刻[3]。如1所示，采用中斷方式完成數(shù)據(jù)的輸入輸出傳送。

圖1 8259A的仿真實(shí)現(xiàn)

這樣對(duì)程序的編寫流程很容易理解。

2.2 Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

單片機(jī)的學(xué)習(xí)采用項(xiàng)目化的教學(xué)形式，在教學(xué)中引入“以培養(yǎng)關(guān)鍵能力為核心”的項(xiàng)目教學(xué)法，項(xiàng)目教學(xué)法是師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，每節(jié)課都圍繞著一個(gè)特定項(xiàng)目展開(kāi)，用項(xiàng)目構(gòu)建本節(jié)課的知識(shí)體系。在項(xiàng)目教學(xué)中，教師圍繞具體項(xiàng)目以模塊方式組織教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)這門課。教師不再把現(xiàn)成知識(shí)技能傳遞給學(xué)生作為教育的唯一目標(biāo)，或者說(shuō)不是簡(jiǎn)單地讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個(gè)結(jié)果，而是在教師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生把看到的、聽(tīng)到的與手上做的結(jié)合起來(lái)。學(xué)生在尋找這個(gè)結(jié)果的過(guò)程中，學(xué)會(huì)思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，進(jìn)而增強(qiáng)信心、提高學(xué)習(xí)積極性，最后進(jìn)行展示和自我評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，項(xiàng)目教學(xué)法有效地建立了課堂與實(shí)踐之間的聯(lián)系，能將教學(xué)課題的理論知識(shí)和實(shí)際技能結(jié)合起來(lái);學(xué)生有獨(dú)立制定計(jì)劃并實(shí)施的機(jī)會(huì)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學(xué)習(xí)行為，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更 有針對(duì)性和實(shí)用性。 在應(yīng)用項(xiàng)目式教學(xué)的過(guò)程中必須軟件硬件結(jié)合，也就是將程序和外圍電路相結(jié)合。采用虛擬仿真技術(shù)Proteus軟件，則不用制作具體的電路板就能夠完成以上工作，使項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)更加方便經(jīng)濟(jì)[4]。

將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)首先，在單片機(jī)課堂教學(xué)中采用Proteus，可以進(jìn)行大量實(shí)例演示，將原本用語(yǔ)言不便描述的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)出來(lái)，一目了然，增強(qiáng)了教學(xué)的生動(dòng)性和直觀性。教師可以開(kāi)發(fā)教學(xué)演示項(xiàng)目，制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，比如流水燈、交通燈、數(shù)字鐘等，讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。而且 Proteus具有用色點(diǎn)顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，在仿真過(guò)程中，引腳上的有色小方塊顯示其狀態(tài)，紅色表示高電平，藍(lán)色表示低電平，灰色表示浮空，黃色表示沖突(如兩個(gè)器件同時(shí)向總線上傳送數(shù)據(jù))。這給用戶調(diào)試、演示帶來(lái)方便，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。其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點(diǎn)。在單片機(jī)教學(xué)中，P0口作為準(zhǔn)雙向口的這個(gè)概念以及如何應(yīng)用、中斷如何產(chǎn)生、LED燈的位選和線選 如何區(qū)別等都是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以通過(guò)Proteus的演示讓學(xué)生掌握清楚。例如:中斷優(yōu)先級(jí)是教學(xué)中難以掌握的問(wèn)題，以往學(xué)生在課堂聽(tīng)不懂，課后也搞不清?，F(xiàn)在用 Proteus在多媒體教室進(jìn)行仿真，學(xué)生也參與操作，顯示直觀清晰[5]。學(xué)生通過(guò)觀察和操作，不僅學(xué)懂了，主動(dòng)性也明顯提高，效果很好。

Proteus仿真軟件打破了學(xué)習(xí)的時(shí)間限制，開(kāi)拓了學(xué)習(xí)的空間，只要有一臺(tái)電腦，學(xué)生就可以利用課余時(shí)間，在自己的 PC上隨時(shí)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用Proteus仿真軟件，既節(jié)約大量昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi) 用，還能避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，和因操作不當(dāng)而造成的儀器儀表的損毀。在單片機(jī)課程要求的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性教學(xué)，主要包括兩種開(kāi)放形式:一是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上沒(méi)有完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或?qū)ψ鲞^(guò)的實(shí)驗(yàn)存在疑問(wèn);二是，處于對(duì)單片機(jī)的興趣，或在原有單片機(jī)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在老師的指導(dǎo)下，自己動(dòng)手，完成單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、焊接、編程、調(diào)試及分析等工作[6]。允許學(xué)生在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)，同時(shí)向自己有微機(jī)的學(xué)生提供仿真所需軟件資源，開(kāi)闊學(xué)生的課外學(xué)習(xí)活動(dòng)空間，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技小組活動(dòng)。

2.3 在實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的微機(jī)原理仿真實(shí)驗(yàn)主要采用硬件仿真電路箱的模式，試驗(yàn)箱大量的輔導(dǎo)信號(hào)線，如地址譯碼器電路，數(shù)據(jù)線，讀寫線等已經(jīng)進(jìn)行了集成，這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能賊既定的框架中進(jìn)行各種演示實(shí)驗(yàn)，從而限制住了學(xué)生的想象能力。另一方面，由于硬件實(shí)驗(yàn)室一般不是開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室，因此學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)課前進(jìn)行很好的準(zhǔn)備工作，尤其是在硬件電路方面，從而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用大量的時(shí)間進(jìn)行電路連線的檢查工作，影響實(shí)驗(yàn)效率。

而通過(guò)Proteus仿真軟件，學(xué)生能過(guò)在課前進(jìn)行很好的電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行初步的軟硬件之間的聯(lián)合調(diào)試，如果在仿真過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，能夠很好地利用仿真軟件的調(diào)試工具進(jìn)行各個(gè)硬間設(shè)備的檢測(cè)與調(diào)試[7]。在做好準(zhǔn)備工作后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課時(shí)，可以把軟件仿真的結(jié)果直接應(yīng)用到硬件試驗(yàn)箱中，能夠很好地驗(yàn)證從仿真到真是應(yīng)用的整個(gè)流程，從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力，有效地提升實(shí)驗(yàn)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì),是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在《微型機(jī)原理》課程設(shè)計(jì)中，我們使用Proteus開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對(duì)《微型機(jī)原理》的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。在實(shí)踐教學(xué)中，傳統(tǒng)方法多數(shù)是利用硬件試驗(yàn)箱來(lái)完成，這存在很多不足之處。借助Proteus可以輔導(dǎo)教師的教學(xué)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等都有很大的幫助。為了加深對(duì)理論知識(shí)的理解，促進(jìn)理論和應(yīng)用的結(jié)合，我們?cè)谡n堂教學(xué)過(guò)程中應(yīng)選擇仿真軟件Proteus，進(jìn)行匯編程序的調(diào)試和演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，Proteus有較高的推廣利用價(jià)值。

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