Proteus虛擬實驗室建設(shè)及其實驗項目的開發(fā)研究

摘 要：本文闡述了基于網(wǎng)絡(luò)平臺的以Protues和Keil軟件為核心的電子類虛擬仿真實驗室的框架和構(gòu)建方案。另，論述了針對電子技術(shù)和單片機教學(xué)及其科研的虛擬實驗項目的開發(fā)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、開放性、經(jīng)濟型的先進虛擬實驗室。

關(guān)鍵詞：Proteus；虛擬實驗室；網(wǎng)絡(luò)平臺；虛擬實驗項目

中圖分類號：TP368

Proteus是英國Labcenter公司研發(fā)的多功能電子輔助仿真設(shè)計軟件[1]。它能將電子線路設(shè)計、單片機和嵌入式技術(shù)以仿真實踐教學(xué)的方式呈現(xiàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的思想改變電路、程序、參數(shù)和條件進行創(chuàng)新設(shè)計。因此它起到了創(chuàng)設(shè)優(yōu)良的教學(xué)情境、增強興趣、提升自信的作用。為此，建立基于Proteus的多門類的實驗平臺（如電路分析、模數(shù)字電路和單片機實驗室等），并基于此開設(shè)了相應(yīng)的實驗課程，設(shè)計由簡單到復(fù)雜，環(huán)環(huán)相扣的配套實驗項目就可以建立一個以虛代實、以軟代硬的先進實驗室。

1 Proteus虛擬實驗室的建設(shè)

1.1 虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)平臺

計算機網(wǎng)絡(luò)硬件平臺（校園網(wǎng)服務(wù)器、交換機、教師和學(xué)生電腦、教室或者實驗室電腦）、一套電子仿真軟件（Proteus+Keil），以及相關(guān)的虛擬實驗教程，就可相當(dāng)于一個設(shè)備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就可以在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)電路分析、模數(shù)電路、單片機等課程，進行軟硬件的設(shè)計、仿真、調(diào)試等實驗[2]。本實驗室配置選擇了8051系列、AVR系列、PIC10、12、14系列8位單片機的仿真平臺；同時還選擇了PIC24，dsPIC33系列的16位處理器的仿真平臺；還選擇了ARM系列的32位的開發(fā)平臺，涵蓋了當(dāng)今主流的從8位到32位的處理器應(yīng)用環(huán)境。

1.2 仿真軟件的安裝和應(yīng)用

Protues和Keil軟件的安裝和應(yīng)用是虛擬實驗室建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)用Protues軟件能夠?qū)崿F(xiàn)電路硬件的設(shè)計、仿真和圖形顯示功能，它擁有豐富的元器件仿真資源，有30多個元件庫，能仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件。此外，它還提供仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、交直流電壓（流）表等。利用Keil軟件能夠?qū)崿F(xiàn)軟件程序的編寫、編譯和調(diào)試。同時兩個軟件能實現(xiàn)聯(lián)調(diào)，將軟硬件結(jié)合在一起，并將結(jié)果以畫面形式顯示出來，達到完美的單片機模擬開發(fā)全過程[3]。

2 Protues虛擬電子類實驗項目的開發(fā)

設(shè)計一個循序漸進，由淺入深的電子類的實驗課程[4]，不斷收集和思考新穎的、實際的實驗項目是建立Protues先進實驗室的關(guān)鍵[5]。

2.1 Protues電子類教學(xué)實驗項目的開發(fā)

1.電子技術(shù)實驗項目的研發(fā)

圖1 電子技術(shù)虛擬實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

圖4給出了Proteus實驗室可以開展的三個層次的實驗內(nèi)容：（1）驗證性實驗；（2）綜合性實驗；（3）創(chuàng)新性實驗。驗證性實驗以培養(yǎng)學(xué)生操作能力為主，幫助學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)到的理論知識；進階性實驗以培養(yǎng)學(xué)生綜合性設(shè)計能力為主；創(chuàng)新性實驗以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維設(shè)計能力為主[2]。圖4給出了每層次實驗開展電路分析課程、模電課程、數(shù)電課程的相應(yīng)典型實驗。

2.單片機實驗項目的開發(fā)

單片機是一門實踐性環(huán)節(jié)很強的課程，

其目的就是為了讓同學(xué)們更好的掌握單片機的實際操作并驗證其功能效果，從而更好地將理論知識和實驗操作完整的結(jié)合起來[。圖5為單片機三層次虛擬實驗項目的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 單片機虛擬實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

借助Proteus虛擬實驗平臺，可以對51系列、AVR、PIC、Motorola的68HC11系列單片機等常用的MCU應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和調(diào)試，此過程中也貫穿了電路、模電和數(shù)電的設(shè)計實驗。在圖5實驗內(nèi)容中，老師可以根據(jù)實驗的階段設(shè)計由簡單到復(fù)雜的包括課程教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和技能大賽等的三層次的實驗。在仿真設(shè)計中學(xué)生可以完成電路圖、PCB和代碼的編寫、仿真和調(diào)試等，并能夠在屏幕上看到真實生動的仿真結(jié)果。如果輔之以數(shù)量有限的驗證實驗板，那么就可以完成從教學(xué)到產(chǎn)品開發(fā)一系列的實驗，并且該平臺可以隨著Protues軟件的升級而升級。

2.2 基于Protues的科研項目的開發(fā)

單片機系統(tǒng)的開發(fā)融合了電路、模（數(shù)）電的相關(guān)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域。通過具體的項目案例來學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)的開發(fā)是一條科學(xué)、高效的途徑。一方面，老師可以積極和企業(yè)合作，開發(fā)產(chǎn)品，提供服務(wù)和培訓(xùn)，使理論轉(zhuǎn)化成實踐。另外，老師除了帶領(lǐng)學(xué)生參加電子設(shè)計大賽以外，還可以申請如（?。┦屑?、國家級的科研類的課題，也可以參與虛擬實驗教材的編寫，為教改和科研提供指導(dǎo)。以上研究活動，也可以讓學(xué)生參與進來，積極促進了學(xué)生主動參與實踐、主動創(chuàng)造探索，充分發(fā)揮創(chuàng)新潛能，全面提升工程實踐能力和創(chuàng)新能力[8]。這樣一方面可以對自己的教學(xué)有很好的總結(jié)和升華，對學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠提供更加科學(xué)的指導(dǎo)；另一方面，老師在項目實施過程中提高了自己的專業(yè)技能，升化了自己的理論水平。因此，科研項目的研究在很大程度上推動了教育理論的進步，推動了實踐教學(xué)的革新。

3 Proteus虛擬實驗室特色

本實驗室配備的教學(xué)實驗箱是風(fēng)標公司和高校合作開發(fā)的配合Proteus的仿真實驗的實際驗證實驗平臺。涵蓋了整個電子信息工程的實驗過程，特色鮮明。

3.1 網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化與開放性

網(wǎng)絡(luò)化和虛擬仿真是本實驗室的重要特色，Proteus的虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺使用戶可不受時空的限制，充分使用本實驗室的資源，實現(xiàn)實驗室的共享與開放。

3.2 實驗教學(xué)以軟件仿真為主，以硬件驗證為輔

本平臺大量引入仿真教學(xué)，結(jié)合硬件實驗的驗證，使學(xué)生從虛到實，從概念到產(chǎn)品對系統(tǒng)有全面深入的理解和掌握。

3.3 實驗室集經(jīng)濟性與先進性為一體

由于實驗室以軟件為主，硬件為輔，實驗造價非常經(jīng)濟；Proteus虛擬仿真實驗系統(tǒng)有利于“理論與實踐一體化”、“項目引導(dǎo)-任務(wù)驅(qū)動”等教學(xué)改革的展開。

參考文獻：

[1]陳炳杰，余里超.基于Proteus與Keil的虛擬實驗室構(gòu)建[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2009，19（03）：65-68.

[2]徐小棟，胡春，董守昆.利用Proteus軟件構(gòu)建單片機虛擬仿真實驗室[J].計算機與數(shù)字工程，2012（1）.

[3]黃克亞.高職院校單片機虛擬實驗室建設(shè)方案研究[J].職業(yè)時空，2012（8）.

[4]孟凡宇.基于需求導(dǎo)向行電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計課程改革研究[J].實驗室技術(shù)與管理，2012（9）：156-158.

作者簡介：唐美玲（1975-），女，四川資中人。博士在讀（碩士），主要研究方向：電力電子與電力傳動。