Proteus仿真在計算機嵌入式方向系列課程中的應用

陳堅禎 陽 平 程 鵬 焦 鉻 梁小滿 眭仁武 彭青山 黃陽平

（衡陽師范學院 計算機科學系，湖南 衡陽 421001）

Proteus仿真在計算機嵌入式方向系列課程中的應用

陳堅禎 陽 平 程 鵬 焦 鉻 梁小滿 眭仁武 彭青山 黃陽平

（衡陽師范學院 計算機科學系，湖南 衡陽 421001）

論文結合計算機專業(yè)嵌入式方向系列課程教學現(xiàn)狀及Proteus仿真軟件的特點，從數(shù)字邏輯、計算機組成原理、接口技術、單片機以及嵌入式系統(tǒng)等系列課程教學方法和教學手段的改革出發(fā)，介紹了Proteus仿真在這些理論和實踐教學中的應用。實踐證明Proteus仿真很好地促進了該系列課程的教學改革，取得了很好的效果。

嵌入式方向；Proteus仿真；教學改革

1 引言

當今，隨著嵌入式產品，如智能家電、手機、平板電腦、汽車電子、醫(yī)療儀器、智能機床、航天航空設備等電子產品的廣泛應用，嵌入式系統(tǒng)和技術以排山倒海之勢已逐漸占據(jù)了我們生產、生活和娛樂的各個方面。社會對掌握嵌入式技術的人才的需求越來越大，各個大學眾多專業(yè)紛紛開設了嵌入式方向課程，并在計算機專業(yè)體系下設置了嵌入式專業(yè)方向，甚至開辦以嵌入式為基礎的物聯(lián)網專業(yè)也成了熱點[1-3]。

嵌入式作為計算機一個的專業(yè)方向，關于它的課程體系、培養(yǎng)模式和教學方法的研究得到了各個高校的普遍重視。本文基于嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)發(fā)展的新需求，以計算機系列課程為依托，引入proteus虛擬仿真平臺，提出面向工程應用的嵌入式方向的培養(yǎng)方案，形成了理論內容與實驗相結合，課內實驗與開放性實驗室相結合，系列課程全程貫穿實際工程應用的聯(lián)合教學模式。

2 嵌入式方向系列課程的培養(yǎng)模式

2.1 嵌入式方向課程教學的現(xiàn)狀

目前國內很多大學在計算機專業(yè)的大學三、四年級都開設了嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)課程或專業(yè)選修課，但是由于嵌入式技術的復雜性和綜合性，要想讓學生在短時間掌握嵌入式技術，這對教學提出了很高的要求。很難指望學生在一門課程內掌握從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的各種知識和技能，而很多學生對學習前期基礎如微機原理等一些課程又感到很困難，學完之后也不知道怎么用它。這暴露出我們教學中的一些問題，因此在我們的教學中，要改變觀點，結合市場需求，把提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力作為教學的關鍵點。

要培養(yǎng)合格的、滿足社會需求的嵌入式技術人才，必須明確嵌入式人才的知識與技能要求，強調嵌入式工程應用能力培養(yǎng)，構建人才培養(yǎng)的理論教學體系和實踐教學體系，并將其轉化成為一系列的相互關聯(lián)的、目標明確、相互支撐的相關課程，構建嵌入式系統(tǒng)的課程體系，最終形成符合社會需要的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向或嵌入式系統(tǒng)相關專業(yè)。

2.2 嵌入式方向軟硬件課程知識體系

嵌入式專業(yè)方向培養(yǎng)偏向嵌入式設計開發(fā)，具有基礎扎實、解決問題能力強，掌握軟件硬件工程型技術的專業(yè)人才。其課程體系應該體現(xiàn)“注重工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)人才知識體系”。根據(jù)學生的接受能力，嵌入式知識的學習應體現(xiàn)層次性、由易到難的漸進性、注重實踐性。其知識結構由基礎知識、專業(yè)基礎知識、專業(yè)知識這樣一個層次結構組成。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向系列課程培養(yǎng)知識體系如圖1所示。

圖1.嵌入式方向系列課程培養(yǎng)知識體系

在專業(yè)課程階段，嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性的課程，對完成解決實際問題的工程能力培養(yǎng)十分重要，它涉及微電子、單片機、操作系統(tǒng)、接口技術、C語言和匯編語言、軟件工程等諸多知識，這就對該課程的前期基礎教學提出了較高要求。如何注重系列課程前后之間的知識銜接關系，強化支撐和關聯(lián)，并全程貫穿實際工程應用的聯(lián)合教學模式，對“嵌入式系統(tǒng)”等課程開展研究性教學，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生善于思考和較強實踐動手能力具有重要的現(xiàn)實意義。

出于工程應用培養(yǎng)的需要，在教學實踐中引入 Proteus嵌入式虛擬教學及實驗平臺能很好地把嵌入式方向系列課程前后關聯(lián)起來，實現(xiàn)微電子、數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理、單片機、操作系統(tǒng)、接口技術、C語言和匯編語言等系列課程的知識銜接，且使各門課程教學與實驗相結合，極大增強學生對理論知識的理解能力、實踐動手能力和創(chuàng)新意識。

3 Proteus嵌入式虛擬教學及實驗平臺的建設

3.1 平臺軟件Proteus介紹

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的世界上著名的EDA工具軟件，能完成從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，再到PCB設計，是從概念到產品設計的工程應用平臺。是一個電子硬件設計以及集成C語言和匯編語言、支持Keil C聯(lián)調的教學、實驗和創(chuàng)新平臺。涵蓋了電工電子實驗室、電子技術實驗室、數(shù)字邏輯實驗室、計算機組成原理實驗室、接口技術實驗室、單片機應用實驗室等的全部功能。它提供了30多個元件庫，有數(shù)千種仿真元器件，能仿真51系列、AVR、PIC、ARM等系列常用主流單片機，提供了大量的存儲器和外圍器件、多樣的激勵源和多種虛擬儀器等硬件支持。除提供基本的軟件編譯、匯編、調試功能外，還支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如Keil C51等軟件[4-5]。

它可以對模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)進行仿真，并進行功能驗證，通過動態(tài)器件和虛擬儀器操作，可以看到運行后逼真實際的硬件或系統(tǒng)效果。用Proteus軟件來構建虛擬的教學和實驗平臺，可以很好地滿足計算機軟硬件課程實驗教學的仿真需要，在嵌入式方向系列課程中開展Proteus軟件的仿真教學，將對學生前后課程的學習起到相互鋪墊、相互支撐的作用。

它還可以不斷強化學生工程應用能力，如利用Proteus軟件逐步建立并強化學生掌握如下五個嵌入式應用開發(fā)的步驟：(1)進行數(shù)字、模擬電路及單片機應用系統(tǒng)等硬件原理圖設計；（2）基于硬件開發(fā)嵌入式軟件；(3)對軟硬件系統(tǒng)進行聯(lián)調分析與仿真以及返回修改；(4)將硬件原理圖轉換為PCB圖。（5）動手試制調試實物產品。

Proteus軟件虛擬實驗平臺結合傳統(tǒng)實驗室將更能激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。因為虛擬實驗效率更高、互動性更好。傳統(tǒng)實驗箱上僅能提供有限的元件，只能完成一些常規(guī)的驗證性實驗。而在虛擬實驗平臺上提供了大量的虛擬元件供學生選擇使用，這樣就可以在虛擬實驗教學過程中激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想像力。

3.2 將Proteus引入“數(shù)字邏輯”課程教學

在數(shù)字邏輯課程教學中，采用Proteus進行案例演示，可增強教學生動性和直觀性。例如，在講述采用D觸發(fā)器設計的環(huán)型計數(shù)器時，教師可以用不同的集成計數(shù)器芯片如74HC74等制作不同的進制的環(huán)型計數(shù)器進行演示，讓學生對集成計數(shù)器及其應用加深理解(如圖2所示)。

圖2.用D觸發(fā)器設計的環(huán)型計數(shù)器案例

3.3 將Proteus引入“計算機組成原理”課程教學

在計算機組成原理課程教學中，同樣采用Proteus進行案例教學，既可增強計算機組成原理課程與前期微電子電路和數(shù)字邏輯課程聯(lián)系，又將激發(fā)學生深化學習和進一步求知的欲望和熱情。例如，在講述不帶符號乘法器時，承前根據(jù)與門、或門和異或門等基本電路，采用芯片如74HC386、74S08、74HC4075、數(shù)碼管等制作乘法器進行演示，也可讓學生課后以獨立完成作業(yè)的形式加深理解(如圖3所示)。

圖3.學生完成的不帶符號乘法器作業(yè)

同時，利用Proteus軟件實現(xiàn)運算器、控制器、存儲器、總線、接口和I/O部件等案例后，將它們組裝在一起，能十分形象、逼真地演示馮·諾依曼型計算機五大部件協(xié)同工作的單機工作原理，從而達到培養(yǎng)學生建立牢固的計算機整機概念和思想，又培養(yǎng)了學生的工程設計能力，圖4所示為具有運算器、控制器、存儲器、總線、接口和I/O部件組裝后的簡單馮·諾依曼型計算機電路圖。

圖4 簡單馮·諾依曼型計算機電路圖

3.4 將Proteus引入“單片機原理”課程教學

在前期教學的入門提高引導后，課堂上就可以很自然地利用Proteus軟件進行教學，預先設計好典型的單片機應用實例，向學生演示單片機系統(tǒng)軟硬件設計開發(fā)、調試修改的全過程，從而使學生對單片機的工作原理、設計效果有深刻的了解。圖5為智能流量采集系統(tǒng)的實例仿真及效果演示圖。該系統(tǒng)中，利用PIC16F877A單片機、LGM12641BS1R的LCD顯示、按鍵操作、模擬信號采集仿真電路等。

在這門課程中，學生用Proteus軟件設計與仿真，就如擁有一個虛擬的實驗室，可以大膽進行電路設計、測量、調試、修改。成功后，只要安裝正確無誤，布線合理，焊接可靠，實際作品都會與設計仿真的結果一致。不會因失誤而造成硬件投入浪費，設計實驗中不會出現(xiàn)損耗問題。

4 結 論

嵌入式技術的發(fā)展需要高校的培養(yǎng)體系與教學模式不斷改革。本文就計算機專業(yè)適應嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的新需求，探討嵌入式方向課程體系及其教學模式，在系列教學中引入Proteus虛擬教學及實驗平臺，目的是更加注重實驗教學，將課內實驗與開放性實驗相結合起來，使學生打好基礎功底，強化動手能力和創(chuàng)新能力。應用Proteus虛擬教學及實驗平臺可以彌補硬件環(huán)境下實驗教學的不足,提高實驗教學的教學質量，并為課程設計、畢業(yè)設計等重要實踐環(huán)節(jié)打下堅實基礎,使學生獨立操作能力和創(chuàng)造力都得到發(fā)揮，從而提高學生的學習興趣和積極性。

圖5.單片機系統(tǒng)的實例仿真及效果演示圖

[1]邱鐵,吳國偉,劉曉艷.基于應用的高校嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)模式[J].計算機教育,2011,(4):1-4.

[2]文全剛,陳守孔.嵌入式方向課程設置與教學-基于ARM體系結構[J].計算機教育,2007,(17):25-27,37.

[3]孫士明,劉新平,鄭秋梅,等.計算機專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實踐教學體系探索[J].實驗室研究與探索,2009,(5):122-125,145.

[4]周潤景,張麗娜.基于 Proteus的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[5]林志琦,郎建軍,等.基于Proteus的嵌入式可視化軟硬件仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

TP39

A

1673-2219（2012）08-0063-03

2012－06－11

陳堅禎（1966－），男，湖南新寧人，衡陽師范學院計算機科學系副教授，博士，研究方向為計算機仿真、流量檢測。

（責任編校：京華，俊華）