Proteus仿真在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件課程中的應(yīng)用

王闖

摘 要：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件方向系列課程教學(xué)現(xiàn)狀及Proteus仿真軟件的特點，從數(shù)字電子技術(shù)、模擬電、單片機原理及應(yīng)用等系列課程教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革出發(fā)，介紹了Proteus仿真在這些理論課和實踐教學(xué)中的應(yīng)用。實踐證明在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的硬件類課程的教學(xué)中，建立基于Proteus的仿真系統(tǒng)，可以改善實踐教學(xué)效果，節(jié)省實驗費用，降低實驗設(shè)備的損耗，能夠使學(xué)生更好地理解該門課的內(nèi)涵，并且Proteus仿真很好地促進了這些課程的教學(xué)改革，具有很高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；虛擬硬件實驗環(huán)境；單片機；Proteus仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文獻編號：2095-1302（2014）10-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)工程是一門覆蓋范圍很廣的綜合性交叉學(xué)科，涉及計算機科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、自動化、通信工程、信息安全等諸多學(xué)科領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。它改變了人類之前物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施截然分開的傳統(tǒng)思維，將具有自我標(biāo)識、感知和智能的物理實體基于通信技術(shù)有效連接在一起，使得管理、生產(chǎn)制造、個人生活實現(xiàn)互聯(lián)互通，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會各個行業(yè)的快速發(fā)展，它已經(jīng)進入到了各種應(yīng)用領(lǐng)域。因此物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)在高校的人才培養(yǎng)中日益提上了日程，隨著“十二五”規(guī)劃中將物聯(lián)網(wǎng)列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)面臨著長足發(fā)展的良好機遇。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個實踐性很強的專業(yè)，它的建設(shè)一貫遵循理論與實踐相結(jié)合的方針，注重對學(xué)生的理論知識和動手能力的雙重培養(yǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)工程作為一門新的專業(yè)，關(guān)于它的課程體系、培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的研究得到了各個高校的普遍重視[2]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)展的新需求，以硬件類課程為依托，引入Proteus虛擬仿真平臺，提出面向工程應(yīng)用的培養(yǎng)方案，形成了理論內(nèi)容與實驗仿真相結(jié)合，課內(nèi)實驗與開放性實驗室相結(jié)合，系列課程全程貫穿實際工程應(yīng)用的聯(lián)合教學(xué)模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件系列課程的培養(yǎng)模式

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程整體上可分為硬件類課程和軟件類課程，其中硬件類課程是基礎(chǔ)，軟件類課程是靈魂。硬件類課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)置中的重要的基礎(chǔ)部分，也是后續(xù)其他其它課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。目前在各高校和硬件類相關(guān)課程主要有《電路》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《微機原理與接口技術(shù)》、《單片機原理及應(yīng)用》以及《嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與用》等課程。這些硬件類課程具有抽象性高、理解難度大等特點。傳統(tǒng)的授課過程中教師多采用黑板板書同時多媒體課件輔助的形式，這種教學(xué)手段講授的內(nèi)容比較抽象，但是若在授課過程中將實驗室器材搬到教室中又很不方便，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)效果不好。這種教學(xué)方式存在理論講授與實踐演示相脫節(jié)的弊端，難于通過實驗操作向?qū)W生展示理論知識的直觀應(yīng)用效果，因此往往造成知識講授枯燥無味、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、教學(xué)效果不佳等問題。

隨著計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展，對教學(xué)的現(xiàn)代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程的教學(xué)中，完全有條件把教學(xué)和實驗內(nèi)容利用計算機仿真軟件先進行仿真、模擬調(diào)試后再用硬件實現(xiàn)，同時在課堂上將元器件的工作特性通過仿真軟件實時展現(xiàn)出來。所以通過在教學(xué)中把EDA電路設(shè)計軟件引進教學(xué)和實驗中，教學(xué)過程中教師使用仿真軟件展示元器件的工作特性，課下學(xué)生再通過仿真軟件上完成電路的功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、性能分析、時序測量直至印制電路板的自動設(shè)計[3]，這種方法集教學(xué)、學(xué)習(xí)、設(shè)計、創(chuàng)新于一體，拓展了教學(xué)和實驗的深度和廣度，同時提高了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣，將會取得很好的效果。

2 基于Proteus的虛擬仿真平臺

2.1 平臺軟件Proteus介紹

Proteus ISIS是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，可以仿真分析各種模擬器件和集成電路[4]。它的主要功能包括：

（1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真的結(jié)合。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路仿真，RS 232接口的動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器仿真、SPI調(diào)試器仿真、鍵盤和LCD仿真等功能；有多種虛擬儀器可供仿真調(diào)試使用，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。

（2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有8051系列、68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列、ARM系列以及各種外圍芯片。

（3）提供軟件調(diào)試功能。在系統(tǒng)仿真時該軟件具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，可以觀察各個變量、寄存器、內(nèi)部RAM的當(dāng)前狀態(tài)，同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51軟件。

（4）具有強大的原理圖繪制功能。利用軟件提供的元器件庫可繪制模擬電路、數(shù)字電路、模擬與數(shù)字混合電路、單片機應(yīng)用電路。它涵蓋了電工電子實驗室、電子技術(shù)實驗室、數(shù)字邏輯實驗室、計算機組成原理實驗室、接口技術(shù)實驗室、單片機應(yīng)用實驗室等的大部分功能。

使用Proteus軟件來構(gòu)建虛擬的教學(xué)和實驗平臺，可以有效解決教學(xué)中存在的理論講授與實踐演示相脫節(jié)的弊端。教師在課堂通過使用Proteus仿真課本上的理論內(nèi)容，以生動形象的仿真效果形式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在課下使用仿真軟件自我學(xué)習(xí)其他相關(guān)內(nèi)容，自行設(shè)計實驗項目，嘗試自我解決學(xué)習(xí)過程的各種疑難問題，更加扎實地掌握硬件類專業(yè)課內(nèi)容。

結(jié)合Proteus虛擬實驗平臺的高效率和較好互動性，本文分別以Proteus在數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、單片機原理中的具體應(yīng)用為例，展示Proteus在這些硬件類課程中的具體使用方法。