Proteus軟件在電子工藝實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

蘭建軍

摘要：針對(duì)學(xué)生電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，提出了利用Proteus虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)電子電路設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的輔助設(shè)計(jì)方法。并以多功能秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)介紹了利用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過程。實(shí)踐證明，Proteus軟件的應(yīng)用顯著提高了學(xué)生電子設(shè)計(jì)與制作的效率，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電子工藝實(shí)訓(xùn)；Proteus；完整設(shè)計(jì)；實(shí)踐能力

中途分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）02-0107-02

Abstract： Aiming at the problems of students electronic technology practice teaching link， put forward the use of Proteus software realization of electronic circuit design， simulation and verification method of aided design. As a case study of multifunction stopwatch system design， mainly introduced using Proteus software realizes the complete design from concept to product. Practice proves that application of Proteus software significantly improved the efficiency of the student electronic design and production； improve the students' practice ability.

Key words： electronic technology practice； Proteus； total design； practical ability

1 引言

電子工藝實(shí)訓(xùn)是面向高校工科各專業(yè)的實(shí)習(xí)課程，屬于實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)范疇。要求學(xué)生通過電子工藝實(shí)訓(xùn)的工程訓(xùn)練實(shí)踐環(huán)節(jié)，了解電子產(chǎn)品從基本的電路設(shè)計(jì)、電路焊接到產(chǎn)品裝配工藝的完整過程，使學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、焊接和裝配的基本技能，目的在于加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐訓(xùn)練，從而進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐能力和提出、分析、解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)[1-3]。在多年的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)問題。尤其在信號(hào)測(cè)試和分析時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，使得問題更加突出[4-5]。

Proteus 軟件是英國Labcenter公司研發(fā)的目前最先進(jìn)的電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)交互仿真和PCB設(shè)計(jì)的平臺(tái)[6]，可以實(shí)現(xiàn)從電路設(shè)計(jì)、分析與仿真，單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真，系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到PCB制板圖設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過程[7，8]。

一個(gè)完整的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作，要求學(xué)生完成電路調(diào)試和PCB制板整個(gè)過程，為了解決學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中需要掌握多種軟件問題，我們?cè)陔娮庸に噷?shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中引入Proteus軟件完成電路的輔助設(shè)計(jì)和調(diào)試功能。本文以多功能秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述了Proteus 8.2在電子產(chǎn)品制作中應(yīng)用的完整過程。通過電子工藝實(shí)訓(xùn)的教學(xué)實(shí)踐證明：Proteus 軟件有助于提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期，特別在節(jié)約設(shè)計(jì)成本方面尤其明顯，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 系統(tǒng)功能要求分析

電子工藝實(shí)訓(xùn)中多功能秒表要求實(shí)現(xiàn)的功能是：利用8051單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)秒表，能夠顯示秒的十位和個(gè)位，啟動(dòng)秒表工作后能夠從00秒到99秒周而復(fù)始的工作；能夠通過按鍵控制秒表的暫停和繼續(xù)計(jì)時(shí)；具備正計(jì)時(shí)和倒計(jì)時(shí)選擇控制功能；倒計(jì)時(shí)狀態(tài)下具備初值在線設(shè)定功能。

分析系統(tǒng)功能后可知，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含單片機(jī)模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和時(shí)鐘信號(hào)模塊，時(shí)鐘信號(hào)模塊可以利用單片機(jī)內(nèi)部集成的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，所以只需要設(shè)置主機(jī)模塊、顯示模塊和鍵盤模塊即可。

3 工程創(chuàng)建與仿真

Proteus 8.2軟件較之前版本的Proteus軟件最大的區(qū)別在于將ISIS、ARES、代碼窗口基于一體，可以在一個(gè)工程中實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)的完整過程。點(diǎn)擊新建工程后，根據(jù)新建工程向?qū)Х謩e完成原理圖、PCB圖、固件以及編譯器的選擇。

3.1 原理圖的繪制

在新創(chuàng)建的工程中，通過“原理圖”標(biāo)簽進(jìn)入ISIS原理圖編輯環(huán)境，在軟件左側(cè)的元件模式工具欄中分別添加相應(yīng)的元器件，元器件的查找支持多種模式，用戶可按照器件大類、器件小類和生產(chǎn)商等三個(gè)層次進(jìn)行器件查找和選擇。查找到需要的器件后，雙擊器件，可將器件裝入工程器件列表欄中。最后在原理圖編輯環(huán)境中分別完成元件添加、編輯和連線等工作后，完成如圖1所示的多功能秒表系統(tǒng)電路原理圖繪制，電路繪制后可以通過電氣規(guī)則檢查功能進(jìn)行電路完整性的電氣規(guī)則檢查。

3.2 代碼編輯

原理圖繪制檢查結(jié)束后，就可以通過“源代碼”標(biāo)簽進(jìn)入代碼編輯環(huán)境，在代碼窗口中完成代碼編輯后，通過構(gòu)建菜單進(jìn)行代碼工程的構(gòu)建。進(jìn)行工程構(gòu)建后，VSM Studio會(huì)輸出相應(yīng)的提示信息，用戶可依照VSM Studio輸出信息提示逐步完成代碼修改、編輯和完善，直至VSM Studio輸出信息提示為編譯成功，通過編輯編譯器的工作模式，可分別得到工程的*.OMF文件和*.HEX目標(biāo)代碼。特別值得一提的是，新的Proteus 8.2版本不僅內(nèi)部集成了自己的ASM51編譯器，還可調(diào)用外部編譯器，如常見的Keil和IAR等編譯器，程序調(diào)試非常方便。

3.3 電路和程序協(xié)同仿真

程序編輯結(jié)束并且編譯成功后，Proteus軟件會(huì)自動(dòng)把目標(biāo)代碼加載到單片機(jī)中，點(diǎn)擊“開始仿真”按鈕后，就可以進(jìn)行電路圖和代碼的協(xié)同仿真和調(diào)試運(yùn)行了。通常在程序調(diào)試時(shí)，不僅需要觀察代碼的運(yùn)行情況，還需要觀察原理圖中器件的輸入輸出變化，從而分析程序的正確性。為此，Proteus軟件提供了一個(gè)調(diào)試彈出模式控件，在仿真調(diào)試的過程中，可以將原理圖中選定的一部分電路在VSM Studio頁面中顯示出來，可以非常方便地在調(diào)試窗口中同時(shí)查看程序和原理圖，圖2給出了使用調(diào)試彈出模式控件后進(jìn)行程序調(diào)試效果圖。

4 系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)

4.1 PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

當(dāng)原理圖和代碼協(xié)同仿真調(diào)試成功后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)PCB之前需要檢查原理圖元器件的封裝情況，可以點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)瀏覽器”工具欄查看元件封裝情況，只有所以器件的封裝都正常后方可進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。如果部分元件沒有合適的元件封裝，那么就需要給相應(yīng)的器件創(chuàng)建或者安排相應(yīng)的封裝[9]。

4.2 元件封裝創(chuàng)建

本次設(shè)計(jì)的多功能秒表中的多個(gè)按鍵和數(shù)碼管就沒有合適的封裝可選擇，因此需要自行進(jìn)行按鍵的封裝創(chuàng)建。具體的操作步驟為：選擇二維方框圖形模式（需要將層面設(shè)置為Top silk），繪制出器件外形輪廓或者邊框；添加相應(yīng)類型和大小焊盤，并且編號(hào)；選擇邊框和焊盤單擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行封裝，圖3給出了制作完成后的數(shù)碼管和鍵盤封裝效果圖。

4.3 電路板布局與布線

完成PCB設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作后，就可以通過“PCB布板”標(biāo)簽進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，在放置元件之前，首先需要定義好電路板的形狀和大小。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的簡單工程，只需要繪制一個(gè)矩形電路板邊框即可。其基本步驟為：選擇二維方框圖形模式（需要將層面設(shè)置為Board Edge），繪制出電路的邊框；選擇工具菜單欄中的自動(dòng)布局菜單，完成器件的自動(dòng)布局；通過手工布局優(yōu)化器件布局效果；設(shè)置相應(yīng)的布線規(guī)則（如電源或者地線設(shè)置不同寬度等）；通過工具菜單欄中的自動(dòng)布線工具進(jìn)行布線；進(jìn)行布線規(guī)則檢查；電路板敷銅或者補(bǔ)淚滴等操作。所有工作完成后，就可以生產(chǎn)系統(tǒng)PCB圖的三維預(yù)覽效果圖和物料清單，完成PCB的設(shè)計(jì)，圖4和圖5分別給出了多功能秒表系統(tǒng)的PCB和三維預(yù)覽圖。

5 結(jié)語

目前，各種EDA工具種類繁多，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作中需要進(jìn)行電路仿真和PCB設(shè)計(jì)，尤其電子產(chǎn)品涉及單片機(jī)等未處理器時(shí)，還需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行程序調(diào)試和仿真，因此，挑選合適的仿真軟件是十分重要，筆者經(jīng)過多年的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐后，提出了基于Proteus軟件的電子工藝實(shí)訓(xùn)輔助設(shè)計(jì)方法。該方法有效減輕了學(xué)生要學(xué)習(xí)多種EDA軟件的負(fù)擔(dān)，在同一款軟件中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)的完整設(shè)計(jì)任務(wù)，該方法經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，在提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間的同時(shí)，有效地降低了設(shè)計(jì)成本，值得借鑒和推廣。

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