PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：基于PROTEUS的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室具有投入低、易維護(hù)、先進(jìn)性、創(chuàng)新性、多功能性等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電子實(shí)驗(yàn)室的諸多不足。著重介紹了PROTEUS軟件、虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其在試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例。河南科技大學(xué)將該項(xiàng)研究應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，取得了顯著效果。

關(guān)鍵詞：PROTEUS；虛擬實(shí)驗(yàn)室；教學(xué)實(shí)例

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0124-02

現(xiàn)今，高校出于教學(xué)和科研的需要均建設(shè)有各類(lèi)電子實(shí)驗(yàn)室，硬件設(shè)備數(shù)量龐大，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新設(shè)備、新器件層出不窮，這就造成這樣一種現(xiàn)狀：某一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就有可能在短期內(nèi)面臨著技術(shù)上的落后。因此，基于各種硬件設(shè)備建立的電子實(shí)驗(yàn)室存在著不利于管理維護(hù)、不利于保持實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性、不利于保護(hù)前期巨大投資等缺點(diǎn)。而且，現(xiàn)有的各類(lèi)硬件電子實(shí)驗(yàn)室往往針對(duì)相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)配置硬件，而各門(mén)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容彼此孤立，這就造成硬件設(shè)備通用性差、利用率低，學(xué)生通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段所得到的訓(xùn)練是片面的、局部的，其對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的認(rèn)識(shí)并不深刻，直接導(dǎo)致了學(xué)生所學(xué)不能為之所用，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力?；赑ROTEUS軟件的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室具有投入低、易維護(hù)、先進(jìn)性、開(kāi)放性、創(chuàng)新性、多功能性等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電子實(shí)驗(yàn)室的諸多不足，為電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和教學(xué)帶來(lái)了前所未有的新思維。

一、PROTEUS仿真軟件介紹

PROTEUS軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的一款功能強(qiáng)大的EDA工具軟件，具有智能原理圖設(shè)計(jì)、ProSPICE混合仿真、微處理器協(xié)同仿真和一鍵可進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)等功能。PROTEUS提供了豐富的元器件資源，除了具有電容、電感、電阻、晶體管、放大器等其他仿真軟件均具有的常規(guī)元件外，還具有ARM7、8051/52、AVR、PIC等主流微處理器及LCD模塊、LED點(diǎn)陣、鍵盤(pán)/按鍵等通用外設(shè)元器件。PROTEUS提供了示波器、信號(hào)發(fā)生、邏輯分析儀等各種儀表資源。PROTEUS還具有圖形顯示功能，可以將線(xiàn)路上變化的信號(hào)以圖形的方式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。在程序編譯和調(diào)試方面，PROTEUS內(nèi)集成有8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境結(jié)合進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的仿真和調(diào)試。PROTEUS仿真軟件的具體功能及特點(diǎn)介紹如下：

1.智能化的原理圖設(shè)計(jì)

豐富的器件庫(kù)功能可方便地創(chuàng)建新元件，智能的器件搜索功能可通過(guò)模糊搜索來(lái)快速定位器件，智能的連線(xiàn)工具能夠使導(dǎo)線(xiàn)連接簡(jiǎn)單快捷；支持總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，使用總線(xiàn)布線(xiàn)和總線(xiàn)器件使電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)明；可輸出高質(zhì)量圖紙，通過(guò)設(shè)置可以生成清晰BMP圖紙，從而能夠方便地供POWERPOINT、WORD等文檔使用。

2.微處理器仿真功能

支持多種主流CPU類(lèi)型，包括8086、8051/52、MSP430、ARM7、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24等，CPU類(lèi)型隨著版本升級(jí)還在繼續(xù)增加；支持通用外設(shè)模型，如LED點(diǎn)陣、LCD模塊、鍵盤(pán)/按鍵、伺服電機(jī)/直流/步進(jìn)、電子溫度計(jì)、RS232虛擬終端等等，其COMPIM可以使仿真電路通過(guò)計(jì)算機(jī)串口和外部的電路實(shí)現(xiàn)串口通信；實(shí)時(shí)仿真支持SPI/I2C仿真、中斷仿真、UART仿真、RTC仿真、MSSP仿真、ADC仿真、PSP仿真；內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，支持與第三方集成編譯環(huán)境（如Keil等）結(jié)合，進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的源碼級(jí)仿真和調(diào)試。

3.強(qiáng)大的電路仿真功能

ProSPICE混合仿真可實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真：超過(guò)45000種仿真器件可以通過(guò)內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自定義仿真器件，還可以導(dǎo)入第三方仿真器件；高級(jí)圖形仿真功能：基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多項(xiàng)指標(biāo)，包括工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進(jìn)行一致性分析；生動(dòng)的仿真顯示：導(dǎo)線(xiàn)以不同顏色表示其對(duì)地電壓大小，用色點(diǎn)顯示引腳的數(shù)字電平，結(jié)合動(dòng)態(tài)器件的使用可以使仿真更加生動(dòng)；多樣的激勵(lì)源包括脈沖、直流、分段線(xiàn)性脈沖、正弦、音頻、指數(shù)信號(hào)、單頻FM、碼流和數(shù)字時(shí)鐘；豐富的虛擬儀器面板操作逼真，如直流電壓/電流表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、交流電壓/電流表、邏輯分析儀、頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器、數(shù)字圖案發(fā)生器、虛擬終端、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器等。

4.完整的PCB設(shè)計(jì)功能

能夠完成原理圖到PCB的快速轉(zhuǎn)換，原理圖設(shè)計(jì)完成后可一鍵進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)環(huán)境；具有先進(jìn)的自動(dòng)布局/布線(xiàn)功能，支持器件的人工/自動(dòng)布局和布線(xiàn)，支持引腳交換功能，使得PCB設(shè)計(jì)更加合理；具有完整的PCB生成功能，最多可設(shè)計(jì)4個(gè)機(jī)械層、2個(gè)絲印層、16個(gè)銅箔層，用戶(hù)可靈活設(shè)置布線(xiàn)策略；支持多種輸出格式，支持Gerber文件的導(dǎo)出和導(dǎo)入，支持與其他PCB設(shè)計(jì)工具的相互轉(zhuǎn)換。

因此，對(duì)PROTEUS進(jìn)行開(kāi)發(fā)可以建立用于電子類(lèi)各門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研的完備的電子電路設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。[1]

二、PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用PROTEUS軟件的強(qiáng)大仿真能力，借助個(gè)人計(jì)算機(jī)，針對(duì)電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電子線(xiàn)路、單片機(jī)技術(shù)、ARM應(yīng)用技術(shù)、微機(jī)原理等課程及電子綜合創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)、軟件編程、仿真調(diào)試等，使得一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)、一套電子仿真軟件、一本虛擬實(shí)驗(yàn)教程就可以構(gòu)建一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的電子實(shí)驗(yàn)室，能夠進(jìn)行上述各門(mén)課程的綜合實(shí)驗(yàn)。以軟代硬、以虛代實(shí)，克服場(chǎng)地、器材限制，即為虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)質(zhì)。

PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（或單機(jī)）和仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩大部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。[2]將PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生操作能力為主，綜合實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生綜合性設(shè)計(jì)能力為主，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維設(shè)計(jì)能力為主。在每一層次均可以開(kāi)展電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電子線(xiàn)路、單片機(jī)技術(shù)、ARM應(yīng)用技術(shù)、微機(jī)原理等課程實(shí)驗(yàn)。以單片機(jī)技術(shù)課程為例，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層次可以進(jìn)行諸如流水燈顯示、數(shù)碼顯示、按鍵識(shí)別、串口通信、AD轉(zhuǎn)換等實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證；在綜合實(shí)驗(yàn)層次，教師可以針對(duì)某一類(lèi)型的MCU，如AVR系列單片機(jī)，給定一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)（課程設(shè)計(jì)）的題目，學(xué)生按照設(shè)定題目?jī)?nèi)容開(kāi)展電路圖設(shè)計(jì)、代碼的編寫(xiě)、仿真調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)、制作PCB、驗(yàn)證PCB設(shè)計(jì)等。在創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)層次，教師、學(xué)生可以按照自己的想法或興趣進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和研究。另外，針對(duì)每門(mén)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須編寫(xiě)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、軟硬件選擇、思考題作出詳細(xì)說(shuō)明，必要時(shí)可提供原理圖和源程序。

三、PROTEUS電子實(shí)驗(yàn)室教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

這里以單片機(jī)技術(shù)課程中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，說(shuō)明PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誂VR單片機(jī)的端口操作及外中斷的應(yīng)用，熟悉Intel8253定時(shí)器的使用。

功能要求：使用ATMEGA64單片機(jī)控制單個(gè)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)0～9數(shù)值的循環(huán)顯示，并且通過(guò)Intel8253的精確定時(shí)實(shí)現(xiàn)每隔1秒鐘顯示數(shù)值加1的功能。

2.設(shè)計(jì)內(nèi)容

（1）設(shè)計(jì)思路。將Intel8253的三個(gè)定時(shí)器T0、T1、T2工作方式均設(shè)置為方式2，并將三者串聯(lián)為一個(gè)模值為48位的定時(shí)器T，以1MHz數(shù)字時(shí)鐘作為T(mén)的CLK時(shí)鐘輸入。設(shè)置T的初始定時(shí)計(jì)數(shù)值，使得Intel8253每隔1秒鐘從OUT2端口輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)。將該觸發(fā)信號(hào)接ATMEGA64單片機(jī)的外觸發(fā)端INT0，單片機(jī)收到中斷觸發(fā)信號(hào)，則控制相應(yīng)數(shù)碼進(jìn)行顯示。

（2）原理圖繪制。打開(kāi)PROTEUS軟件，進(jìn)入原理圖輸入界面，運(yùn)用智能化元器件搜索和連線(xiàn)工具，繪制電路原理圖，如圖2所示。

（3）控制程序編寫(xiě)與調(diào)試。采用PROTEUS與WinAVR軟件聯(lián)調(diào)的方式進(jìn)行控制程序的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。首先操作WinAVR軟件，進(jìn)行程序編寫(xiě)與調(diào)試。點(diǎn)擊菜單File→new→project新建一個(gè)工程項(xiàng)目，取名為Intel8253.pnproj。點(diǎn)擊菜單File→New→Default，新建文件，在編輯區(qū)內(nèi)編寫(xiě)控制程序代碼，并保存到新建Project的目錄下，取名為Intel8253.c。右鍵點(diǎn)擊工程管理窗口的Intel8253工程項(xiàng)目，點(diǎn)擊Add Files，完成源程序文件添加。要順利完成編譯，還需要配置makefile文件，點(diǎn)擊程序里的Mfile[WinAVR]，彈出makefile文件配置對(duì)話(huà)框，分別配置芯片類(lèi)型、輸出格式、優(yōu)化級(jí)別等選項(xiàng)后將修改后的makefile文件同樣保存到新建Project的目錄下。完成以上操作后，點(diǎn)擊菜單Tools→Make all即可完成程序編譯，并生成可下載文件Intel8253.hex。

其次操作PROTEUS軟件，進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。在原理圖繪制界面里雙擊ATMEGA64芯片，在“Program File：”選項(xiàng)選擇上述WinAVR工具生成的可下載文件Intel8253.hex，即完成單片機(jī)程序的仿真實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊左下角“play”快捷鍵進(jìn)行電路功能的驗(yàn)證，根據(jù)仿真顯示結(jié)果進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的調(diào)整，直至實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)功能要求，完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)論

虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)是對(duì)教學(xué)創(chuàng)新的極大貢獻(xiàn)。PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室起步于20世紀(jì)90年代，在短短二十多年的時(shí)間內(nèi)得到了快速的發(fā)展，其用戶(hù)已遍布世界各地，包括California、Stanford、Cambridge、Oxford等國(guó)際知名大學(xué)，也包括Philips、Motorola、ST、Sony等跨國(guó)公司。PROTEUS虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)初期進(jìn)入我國(guó)，目前已在國(guó)內(nèi)諸如華南理工、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)、清華大學(xué)等100多所高等院校及企業(yè)得到應(yīng)用?；赑ROTEUS的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以完成電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)，而且可以完成微機(jī)原理、單片機(jī)技術(shù)、ARM應(yīng)用等嵌入式類(lèi)課程的仿真實(shí)驗(yàn)，在河南科技大學(xué)電類(lèi)課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。虛擬電子實(shí)驗(yàn)室建成后，河南科技大學(xué)利用已有的計(jì)算機(jī)機(jī)房實(shí)現(xiàn)了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的全面開(kāi)放。從2010年開(kāi)始，借助該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)河南科技大學(xué)參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行賽前培訓(xùn)，有效提高了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，取得了良好的培訓(xùn)效果。在2011年度全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽中河南科技大學(xué)獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省三等獎(jiǎng)6項(xiàng)；在2013年度全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽中獲得國(guó)家獎(jiǎng)1項(xiàng)、省一等獎(jiǎng)5項(xiàng)、省二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、省三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]匡載華，鄧小鵬.電子類(lèi)學(xué)科專(zhuān)業(yè)Proteus實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（1）：155-158.

[2]劉勝，楊夏.基于Proteus的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：85-87.

（責(zé)任編輯：王祝萍）