Proteus在《微機原理與接口技術(shù)》教學中的應用

陳逸菲 王玉芳 孫寧

摘 要：針對《微機原理與接口技術(shù)》課程傳統(tǒng)理論教學和實驗教學中存在的問題，提出將仿真軟件Proteus作為輔助工具引入教學中。分析了使用Proteus為課程教學帶來的革新和好處，介紹了Proteus在理論教學方法、實驗項目設計、實驗考核方式等方面的應用情況，指出了使用Proteus需要注意的事項。實踐表明，在課程教學中引入Proteus，能提高教學效果及學生的綜合設計能力。

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真軟件；理論教學；實驗教學

DOI：10.11907/rjdk.172731

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0220-03

Abstract：Aiming at the problems in traditional methods of theoretical and experimental teaching， we introduce Proteus as an auxiliary tool into the course of Microcomputer Principle and Interface Technology. The reform and advantages brought by Proteus are analyzed. Our exploration in the teaching methods of theoretical curriculum， the design of experiment items， and the examination method of experimental course based on Proteus is presented. Some attentions that should be paid on the utilization of Proteus in teaching are also pointed out. Our practice shows that the teaching effect and students comprehensive design ability have been improved to some extent after we introduced Proteus into the curriculum.

Key Words：Proteus； simulation software； theoretical teaching； experimental teaching

0 引言

Proteus是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，集電路圖設計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能對電工、電子電路進行設計與分析，還能對微處理器進行設計和仿真[1]，在單片機教學中應用非常廣泛[2-4]。筆者所在學院將Proteus作為自動化等專業(yè)選修的一門工具軟件，自2011年起在《微機原理與接口技術(shù)》相關(guān)課程教學中引入了Proteus。數(shù)年的探索和實踐發(fā)現(xiàn)，將Proteus作為一種教學輔助工具，可以彌補傳統(tǒng)理論與實驗教學方式的不足。

1 Proteus在教學中的優(yōu)勢

如圖1所示，Proteus可以彌補傳統(tǒng)基于實驗箱的實驗教學缺陷，并可為理論教學帶來便利。

1.1 學生可隨時實驗

Proteus在《微機原理與接口技術(shù)》教學中的應用研究在2010年前后出現(xiàn)[5-6]。與單片機類課程不同，《微機原理與接口技術(shù)》教學的主要處理器芯片8086和其它可編程接口芯片一般在專業(yè)實驗室才能接觸到。對于一些綜合性、設計性的實驗項目，學生需要用課外時間準備、調(diào)試、修改等，而實驗室開放時間、設備數(shù)量有限，顯然不方便，但使用Proteus基本可以解決此問題。大多數(shù)接口部分的驗證性實驗和綜合設計可以在安裝了Proteus的個人電腦上進行，學生隨時可動手實驗。

1.2 教師可隨時演示

《微機原理與接口技術(shù)》同時涉及軟硬件，知識點分散又前后交叉，學好不是一件容易的事。一些重要的知識點通過直觀的實例演示有助于理解，目前普遍采用的方法是在課件中通過動畫展示。但是制作動畫工作量較大，而且不夠靈活。如果教室電腦上安裝Proteus，教師上課時就可以隨時對電路進行動態(tài)仿真，這種方式靈活且交互性強，更容易吸引學生的注意力，提高學生學習熱情，進而提高教學效率[7]。另一個好處是，實驗工具融入理論教學中，學生在實驗課上也會適應Proteus的使用。

1.3 鍛煉軟硬件綜合設計能力

實驗箱在實驗教學中的一大缺點是硬件電路基本固定，靈活性差[8]。以筆者所在學校使用的DVCC-8086實驗箱為例，所有接口芯片的端口地址范圍均是固定的，學生只需進行少量連線就可完成硬件電路，基本談不上接口電路設計。此外，受實驗箱所限，可用的芯片及元件數(shù)量和種類有限，一些超出限制的綜合設計無法實現(xiàn)。

使用Proteus進行接口電路實驗，學生需要繪制完整的電路，因而相對于僅需少量連線的實驗箱實驗，對實驗原理的理解會更加透徹且硬件電路設計更加靈活：可以根據(jù)需要自行設計系統(tǒng)的譯碼電路，獲得不同的端口地址，只要是Proteus元件庫提供的元件均可使用。因此，使用Proteus的微機原理實驗能更加全面地鍛煉軟硬件設計能力。

1.4 課時利用率高

傳統(tǒng)實驗箱或設備由于使用人數(shù)多，非常容易出現(xiàn)故障，影響實驗效果[9]。而采用Proteus進行仿真實驗，不存在設備損耗，不需要維護，不會因為故障影響使用。每個學生可獨立進行實驗，確保了課時的充分利用。

1.5 可移植性強

即使采用實驗箱進行實驗，Proteus仍然可以作為有效的教輔工具。因為只要了解實驗設備中端口地址范圍的分配和元器件配置，就可以在Proteus中搭建對應的仿真電路。學生課前可在仿真電路基礎上預習實驗箱上的項目，完成對應軟件程序的編寫。課內(nèi)再在實驗箱上運行實驗，觀察結(jié)果，可以提高效率，事半功倍。課后可在Proteus環(huán)境下“再現(xiàn)”實驗項目，進行分析、調(diào)試和拓展。

2 Proteus使用探索

筆者在《微機原理與接口技術(shù)》課程教學中，從實驗項目設計、理論課教學方式、實驗考核方式等方面對Proteus的使用進行了探索，如圖2所示。

2.1 理論課教學探索

將理論部分典型例題用Proteus仿真，通過多媒體系統(tǒng)演示可以收到較好的教學效果。比如對8253的6種工作方式，可以選擇部分進行仿真，讓學生在課堂上通過Proteus的虛擬示波器看到OUT端輸出波形的實時變化，通過改變電路中GATE端電平信號，觀察OUT的變化。還可演示DAC0832在單緩沖方式下輸出三角波、鋸齒波等波形，雙緩沖方式下輸出同步波形等。比起書本上枯燥的文字和圖形，動態(tài)仿真更能吸引學生。雖然課件也有動態(tài)效果，但制作費時且不夠靈活，交互性差。

有些理論內(nèi)容在實驗箱上沒有對應實驗，也可以用Proteus展示給學生。比如非屏蔽中斷在DVCC-8086實驗箱上沒有對應的實驗項目。但是相對于可屏蔽中斷，非屏蔽中斷不需要中斷控制器8259A的管理，硬件電路和軟件設計相對簡單，但掌握了非屏蔽中斷的程序設計對可屏蔽中斷的程序設計是有幫助的。因為兩者都涉及中斷向量的初始化以及中斷服務子程序的設計。筆者在介紹中斷技術(shù)這一章時，就通過非屏蔽中斷例子說明中斷程設計的一般步驟，講到8259A后再進行拓展，讓學生對比兩類中斷的區(qū)別和聯(lián)系。

由于理論課時有限，有些內(nèi)容非常實用但在課堂上沒有時間展開，可以采用Proteus仿真的方式進行展示。簡單講解原理，比如行列式鍵盤工作的原理和數(shù)碼管的動態(tài)顯示等，鼓勵學生課后自己去驗證，或者在實驗課的綜合設計中使用。

2.2 實驗項目設計

Proteus提供了微機原理課程中的CPU（8086）和主要接口芯片，常見的存儲器、鎖存器、緩沖器、譯碼器等芯片，以及人機交互所需的元件，如按鍵、LED、七段數(shù)碼管、LCD等。在這些芯片和元件上不但可以進行基礎性、驗證性實驗，還可以完成綜合性、設計性實驗。表1列出了筆者在實驗教學中設計的部分實驗項目、采用的主要元器件芯片（不包含最小系統(tǒng)和譯碼電路部分）和知識點之間的關(guān)系[10-11]。

學生在理論課教學中經(jīng)?？吹嚼蠋熡肞roteus演示實例，在課內(nèi)實驗中經(jīng)常動手用Proteus進行驗證性實驗。等課程快結(jié)束時，已經(jīng)能非常熟練使用Proteus了，常用的接口芯片都已經(jīng)學習且做過實驗，這時完全可以綜合利用學過的芯片（2種以上）完成綜合性設計。

表1中帶*的題目具有一定的綜合性，可以在Proteus平臺上實現(xiàn)[10]，在教學實踐中大部分學生可以較好地完成這些綜合設計任務。以“電子發(fā)聲器設計”為例，要求學生實現(xiàn)2段以上音樂的播放，通過按鍵選擇播放音樂和停止，由發(fā)光二極管表示對應的播放狀態(tài)，發(fā)聲用8253控制，按鍵和發(fā)光二極管可通過8255A控制。通過查閱資料可以了解到，實現(xiàn)音樂的播放需要音階和節(jié)拍，結(jié)合之前的驗證性實驗，學生就可完成此設計。

2.3 實驗考核方式探索

（1）上機考試。要求學生在Proteus平臺上進行電路和程序設計，在規(guī)定的時間內(nèi)完成試題，得到正確的仿真結(jié)果，教師打分。

（2）綜合設計演示加口試。提前1～2周給出若干綜合設計題目，學生選擇并獨立完成。提交時，學生現(xiàn)場演示、老師提問，根據(jù)演示、回答問題及報告完成情況綜合打分。

總體來看，前者適合實驗課時較少的情況，考察一般都是驗證性的實驗項目；后者在實驗課時較多的情況下效果較好，學生的積極性也較高。

3 Proteus使用注意事項

在《微機原理與接口技術(shù)》課程教學中使用Proteus需要注意以下問題：

（1）Proteus作為一種軟件仿真工具，不能完全取代硬件實驗設備。Proteus本身有一些Bug，以7.5版本為例：8253不能正確鎖存讀，用鎖存讀命令讀出的當前計數(shù)值總是0；8259A往數(shù)據(jù)總線上送出的中斷類型碼不能被8086正確識別[12]。對于這類情況，可采用仿真與硬件實驗設備結(jié)合的方式，Proteus有Bug的部分用實驗箱代替。

（2）教師要給予學生充分的指導。用Proteus進行接口仿真實驗時，繪制的電路和編寫的程序中任何一部分出現(xiàn)錯誤都不能得到正確結(jié)果。初學者在繪制電路時特別容易出錯，比如網(wǎng)絡標簽忘記放置或者使用錯誤、發(fā)光二極管陽極陰極不分等。學生需要一個適應過程，教師應給予充分指導。教師經(jīng)驗越豐富，越能及時幫助學生解決問題、度過適應期。

4 結(jié)語

筆者對《微機原理與接口技術(shù)》課程教學中應用Proteus進行了一些探索，發(fā)現(xiàn)Proteus是一種有效的教學輔助工具：理論教學通過仿真演示實例可使知識點講解更加形象生動，實驗教學中Proteus可彌補硬件實驗設備資源數(shù)量有限、開放時間有限、易損壞等缺點，給學生提供更多動手機會。Proteus在《微機原理與接口技術(shù)》課程教學中的其它應用，如案例式教學，與慕課、微課相結(jié)合進行教學還有待研究。

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[11] 張穎超，葉彥斐，陳逸菲，等.微機原理與接口技術(shù)[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[12] 宋杰，丁志遠.基于Proteus的X86中斷仿真異常問題研究和對策[J].實驗室研究與探索，2015，34（8）：81-84.

（責任編輯：杜能鋼）