Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：從Proteus虛擬軟件概述出發(fā)，分析新形勢(shì)下Proteus虛擬軟件對(duì)單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量提高的作用，并對(duì)Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行具體解析。

關(guān)鍵詞：Proteus虛擬軟件；單片機(jī)教學(xué)；虛擬仿真技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.151229

中圖分類號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16727800（2015）006021202

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：張建兵（1979-），男，江蘇常州人，碩士，常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)楣I(yè)控制與智能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)仿真。

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在許多領(lǐng)域備受關(guān)注并且應(yīng)用廣泛，在教育教學(xué)方面也起著重要作用。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的重要組成部分，Proteus虛擬軟件對(duì)新形勢(shì)下單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量的提高可起到積極的推動(dòng)作用。在單片機(jī)教學(xué)中引入Proteus虛擬軟件等虛擬仿真技術(shù)，讓單片機(jī)試驗(yàn)脫離設(shè)備和場(chǎng)地的要求和限制，可增強(qiáng)課堂的立體感與課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性，有助于課堂學(xué)習(xí)效率的提升。下面將通過對(duì)Proteus虛擬軟件的介紹，具體分析Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中的作用，并提出提升單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量的相關(guān)措施。

1 Proteus虛擬軟件概述

Proteus虛擬軟件是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的一款EDA工具軟件，從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史，其憑借著功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)在世界上被廣泛應(yīng)用，是新時(shí)期最為完整與先進(jìn)的設(shè)計(jì)和仿真各種類型微控制器系統(tǒng)的平臺(tái)。Proteus虛擬軟件支持C語言、匯編程序語言、PLM等程序的設(shè)計(jì)。Proteus虛擬軟件分為ARES和ISIS兩個(gè)部分，其中ARES是仿真電路布線編輯軟件，ISIS是電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件，可以設(shè)計(jì)和仿真單片機(jī)電路、模電路、數(shù)電路以及模數(shù)混合電路等[1]。Proteus虛擬軟件有以下幾方面特點(diǎn)：①能夠?qū)Ω鞣N集成電路以及模擬器件進(jìn)行分析和仿真；②能夠?yàn)橛脩籼峁￢irtual Terminal、電表、計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、虛擬示波器等虛擬仿真儀表儀器；③能夠幫助設(shè)計(jì)印制板（PCB）、原理圖（SCH），并可與Matlab、Keil等軟件進(jìn)行整合，使虛擬仿真效果達(dá)到最優(yōu)。

2 Proteus虛擬軟件對(duì)提高單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量的作用

利用Proteus虛擬軟件可以使單片機(jī)教學(xué)在無硬件條件下實(shí)現(xiàn)形象化，有助于學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，對(duì)單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量的提高起著重要作用。

2.1 營(yíng)造教學(xué)條件，增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代教育的融合發(fā)展，傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)已不能滿足現(xiàn)代教育的要求，主要存在以下幾方面問題：①傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)往往注重理論原理教學(xué)，而對(duì)實(shí)踐教學(xué)重視不夠。單片機(jī)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的要求非常高。但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中，由于實(shí)踐教學(xué)需要大量硬件設(shè)備的投入，如編程器、實(shí)驗(yàn)電路、仿真器等試驗(yàn)設(shè)備，而一些學(xué)校由于資金不足，無法很好地開展實(shí)踐教學(xué)；②在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于場(chǎng)地、設(shè)備的限制，學(xué)生親自接觸實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和時(shí)間非常少，因而很難參與到單片機(jī)中各種細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)重影響了其動(dòng)手和操作能力的提升；③傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)及課程設(shè)計(jì)中對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)中的軟硬件系統(tǒng)調(diào)試、軟件編程、硬件電路設(shè)計(jì)等都需要完整的硬件條件才能完成，并且還存在硬件修改或重新制版的問題，需要投入大量時(shí)間和資金，這將極大地影響學(xué)生課程任務(wù)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成進(jìn)度。對(duì)于以上傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中存在的問題，Proteus虛擬軟件能將單片機(jī)需要的硬軟件進(jìn)行三維空間式地分拆和拼合，從而完全替代貴重硬件設(shè)備的投入和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用[2]。

2.2 促進(jìn)課程形象化，激發(fā)學(xué)生興趣

Proteus虛擬軟件中有許多仿真儀表儀器，如虛擬終端、電流電壓表、電流電壓源、計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器等，這些儀表儀器在應(yīng)用中可以被隨時(shí)調(diào)用，各種實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`過程都可以通過Proteus虛擬軟件進(jìn)行仿真，整個(gè)操作過程如同在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)感明顯。同時(shí)，Proteus虛擬軟件還能將線路上的信號(hào)變化通過圖形進(jìn)行顯示，從而形象地展現(xiàn)出整個(gè)操作過程及過程中的各種變化，便于學(xué)生及時(shí)、整體、形象地理解和掌握。Proteus虛擬軟件的虛擬仿真功能可對(duì)傳統(tǒng)枯燥、乏味、繁瑣的單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行改革，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2.3 提升課堂效率，降低教學(xué)成本

Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中整個(gè)過程都是交互式和可視化的。其不但可以對(duì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，還能將編譯好的程序代碼裝入仿真元件中，組裝完成各項(xiàng)操作程序，輸出可視效果；Proteus虛擬軟件還能支持第三方調(diào)試環(huán)境和編譯軟件，與Maplab、Keil等進(jìn)行整合應(yīng)用；在單片機(jī)教學(xué)中通過Proteus虛擬軟件對(duì)各種儀表儀器以及電路等進(jìn)行虛擬調(diào)試，可將調(diào)試中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)清晰、形象地演示出來，增強(qiáng)了教學(xué)的立體感和形象感；同時(shí)，在系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真調(diào)試之后，可通過Proteus ARES 軟件獲得PCB圖，為學(xué)生制作硬件實(shí)物及驗(yàn)證提供了方便。綜上所述，通過Proteus虛擬軟件的應(yīng)用，可以使現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的調(diào)試、制版、編程、開發(fā)等工作都通過虛擬仿真完成。一方面縮短了單片機(jī)調(diào)試時(shí)間，提升了課堂效率，另一方面減少了各項(xiàng)軟硬件設(shè)備的使用耗費(fèi)，降低了教學(xué)成本。

3 Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中應(yīng)用案例

3.1 Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中應(yīng)用流程

Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用流程如圖1所示。

具體流程包括以下幾個(gè)步驟：①在ISIS平臺(tái)上設(shè)計(jì)單片機(jī)電路，對(duì)各種儀表儀器進(jìn)行檢測(cè)，選擇需要的各種元器件，連接插件和電路，并進(jìn)行硬件原理圖繪制等；②在Keilc等編譯軟件上設(shè)計(jì)單片機(jī)所需的軟件，編寫源程序，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試；③生成.Hex的目標(biāo)代碼文件，并將此文件直接加載至虛擬單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)；④進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)虛擬單片機(jī)的協(xié)同仿真和實(shí)時(shí)交互；⑤觀察調(diào)試和仿真結(jié)果，對(duì)所有方案進(jìn)行驗(yàn)證，探究哪些功能沒有實(shí)現(xiàn)，若未實(shí)現(xiàn)便對(duì)軟硬件進(jìn)行重新修訂，直至成功為止[3]。

3.2 Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例分析

現(xiàn)以虛擬單片機(jī)試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)為例分析Proteus虛擬軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。

（1）電路設(shè)計(jì)和硬件搭建。在虛擬實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)和硬件搭建與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱通過導(dǎo)線連接不同，它通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)完成各項(xiàng)電器連接，即在器件引腳上標(biāo)示對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，以標(biāo)示兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系已連接[4]。例如，單片機(jī)8個(gè)引腳（P1.0-P1.7）跟液晶屏9-16引腳相連，于是可以將對(duì)應(yīng)的引腳定義為相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，具體如圖2（a）、（b）所示。單片機(jī)引腳P1.0-P1.7定義為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)P1.0-P1.7，而對(duì)應(yīng)的液晶屏引腳9-16定義為同樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)P1.0-P1.7。通過這種方式，將整個(gè)線路進(jìn)行連接。

（2）軟件設(shè)計(jì)、編寫源程序。通過C語言工具編寫源程序，由于程序復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大，本文此處略去，不再羅列。在源程序編寫完成之后，進(jìn)行編譯并鏈接，生成.HEX目標(biāo)代碼文件，之后在單片機(jī)上進(jìn)行左鍵雙擊，可出現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)窗口，然后在Program File選項(xiàng)中直接點(diǎn)擊剛生成的.HEX目標(biāo)代碼文件，再進(jìn)行確定[5]。

（3）運(yùn)行仿真。在硬件視圖下單擊左下角的運(yùn)行仿真開始按鈕，可以觀察到程序運(yùn)行的模擬仿真結(jié)果。具體如圖3所示。

4 結(jié)語

綜上所述，在單片機(jī)教學(xué)中引入Proteus虛擬軟件等虛擬仿真技術(shù)，讓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)脫離相關(guān)設(shè)備和場(chǎng)地的要求和限制，可增強(qiáng)課程的立體感、應(yīng)用性與實(shí)踐性，促進(jìn)學(xué)生全身心投入實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)習(xí)效率，并避免了各種可能存在的實(shí)驗(yàn)失誤而造成的風(fēng)險(xiǎn)。但Proteus虛擬軟件在應(yīng)用過程中仍存在一定問題，例如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中無法充分體現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)操作中可能存在的誤差，不能將現(xiàn)實(shí)中最真實(shí)的情況完全模擬出來，實(shí)時(shí)性較差。因此，在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)該盡量做到虛實(shí)結(jié)合，將虛擬仿真技術(shù)作為單片機(jī)教學(xué)的一種手段，而將實(shí)際操作看作單片機(jī)教學(xué)的目的所在，才能充分提升單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量。

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