Proteus在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

賈萍

[摘? ? 要] Proteus是當(dāng)今主流的電子線路設(shè)計(jì)與模擬仿真的軟件。文章主要介紹了Proteus的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，以電子技術(shù)課程為例，探討了Proteus在電子專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用以及對(duì)教學(xué)的幫助。

[關(guān)鍵詞]? Proteus;實(shí)驗(yàn);仿真;電路

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 097

[中圖分類號(hào)] G647? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2020）15- 0234- 02

0? ? ? 前? ? 言

電子信息類專業(yè)是高等院校開設(shè)的培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的工科專業(yè)，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力與就業(yè)率及就業(yè)質(zhì)量息息相關(guān)。為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，必須加強(qiáng)相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，電子信息學(xué)科的關(guān)鍵課程如電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等大多采用“理論課+實(shí)驗(yàn)課”的教學(xué)模式[1]。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式存在很多問題：理論課程與實(shí)踐課程很難同步進(jìn)行，理論教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解和接受;理論課上只能用板書畫圖或者PPT動(dòng)畫來講解元件特性、電路原理等內(nèi)容，耗時(shí)費(fèi)力，教學(xué)效率低;實(shí)驗(yàn)教學(xué)則以現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為主，實(shí)驗(yàn)單一，且時(shí)常由于錯(cuò)誤連線導(dǎo)致元件毀壞，浪費(fèi)了寶貴的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)元件和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目老舊，學(xué)生很難對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣，只會(huì)單純地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺少自己的思考，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，如何改進(jìn)電子類課程的教學(xué)手段是擺在眾多教師面前的一道難題。

1? ? ? ?Proteus介紹

自20世紀(jì)80年代起，各種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automalion，EDA）軟件開始出現(xiàn)在大眾的視野中，它們特點(diǎn)鮮明，操作簡便，使電路設(shè)計(jì)方法得到了徹底的改變。由于EDA軟件具有界面簡潔，修改方便，操作容易，測(cè)量簡單，元件庫豐富等特點(diǎn)，所以逐漸從專業(yè)的電路繪制軟件發(fā)展應(yīng)用到電子信息教學(xué)當(dāng)中。Proteus是20世紀(jì)末Labcenter Electronics公司所開發(fā)的一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具軟件。Proteus的功能十分豐富，它既是電路設(shè)計(jì)軟件，也是設(shè)計(jì)印制電路板軟件，并且可以進(jìn)行電路模擬仿真。它不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計(jì)愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計(jì)與仿真軟件[2]。

Proteus的特點(diǎn)有：①它可以模擬單片機(jī)與單片機(jī)外部的電子設(shè)備一起仿真，可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD顯示器、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。②提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)[3]。③可以使用第三方軟件如Keil，IAR等軟件來進(jìn)行單片機(jī)程序的編譯和調(diào)試。

2? ? ? Proteus在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用Proteus，教師可以詳盡地展示電路的搭建與運(yùn)行方式，信號(hào)的傳播過程，并且可以以圖形方式來顯示線路上信號(hào)的實(shí)時(shí)變化，并且Proteus可以在教學(xué)中使用軟件的仿真功能來展示元件在不同工況下的性能，使學(xué)生們能更直觀地看見元件運(yùn)行的狀態(tài)，使得學(xué)生們能充分理解元件的工作原理及特性。利用Proteus的仿真，在理論課程中穿插實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)于元件功能和電路構(gòu)建方式的理解，提高了學(xué)生對(duì)電路理論知識(shí)的掌握程度，并且Proteus可以很簡單地通過改變電路元件的參數(shù)來調(diào)整電路的性能，實(shí)驗(yàn)過程既簡單又方便，是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)無法做到的。同時(shí)，Proteus豐富的元件庫使學(xué)生們的設(shè)計(jì)不僅僅局限于書本上的實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)自己的興趣自行設(shè)計(jì)一些有趣的電路。由于Proteus可以在電路中添加各種測(cè)量儀器，在進(jìn)行仿真時(shí)可以更加清晰地看到信號(hào)波形曲線，各種參數(shù)曲線，以及電路運(yùn)行現(xiàn)象，為調(diào)試改進(jìn)電路提供了傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)無法提供的便利條件。在實(shí)驗(yàn)課上，由于使用的芯片引腳很多，常常會(huì)有同學(xué)因?yàn)槁┖?、虛焊、搭錫或者數(shù)錯(cuò)引腳造成電路無法正常運(yùn)行，而Proteus仿真軟件很好地解決了這一問題，而且可以用仿真模擬出錯(cuò)誤焊接導(dǎo)致的現(xiàn)象，加深學(xué)生們對(duì)電路的理解。

3? ? ? Proteus在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus仿真軟件能夠?qū)Υ罅康募呻娐泛蛿?shù)字電路進(jìn)行仿真，其在對(duì)電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)仿真方面是其他仿真軟件所不能比擬的，效果十分真實(shí)，并且支持多種微處理器和控制器的仿真。Proteus共有兩大模塊，分別是ISIS和ARES。其中ISIS用于設(shè)計(jì)和修改電路的原理圖、配置外部代碼編譯器、編寫程序源代碼及運(yùn)行仿真與調(diào)試;ARES則主要應(yīng)用于印制電路板的設(shè)計(jì)。Proteus可以直接與Keil等軟件無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)代碼的實(shí)時(shí)觀察與編輯，仿真結(jié)果顯示直觀明了，提高了教學(xué)的效率。根據(jù)筆者所在學(xué)院的教學(xué)現(xiàn)狀，下面對(duì)Proteus在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行說明。

以設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)要求以數(shù)字的形式顯示傳感器當(dāng)前溫度，并且在達(dá)到特定溫度的時(shí)候會(huì)報(bào)警提示。設(shè)計(jì)中需要把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字的形式表現(xiàn)出來。采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式時(shí)，通常需要先繪制原理圖，根據(jù)原理圖選購所需元件，完成電路板的布局、焊接、調(diào)試。對(duì)于原理圖中相對(duì)復(fù)雜的電路，首先要考慮電路的布局。由于受到電路板尺寸的限制，整個(gè)電路板的布局變得至關(guān)重要，在布局時(shí)需要盡量選擇連接最少的導(dǎo)線，這樣可以減少焊接的時(shí)間。大多數(shù)同學(xué)都是直接按照給定的原理圖進(jìn)行布局，并沒有考慮到實(shí)際電路的連接情況。在使用Proteus繪制原理圖時(shí)，可以對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行合理布局后優(yōu)化設(shè)計(jì)。在調(diào)試過程中，經(jīng)常會(huì)遇到焊接導(dǎo)線脫落、元件燒壞等情況，加大了調(diào)試的難度。利用Proteus調(diào)試電路時(shí)，可以排除外部環(huán)境因素進(jìn)行電路的仿真。仿真片段如圖1所示。

溫度檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)分為溫度傳感器模塊、電壓放大模塊、電壓比較模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和報(bào)警模塊五部分。在仿真電路中，調(diào)節(jié)溫度傳感器兩端的電壓可以改變溫度，這樣溫度便以電信號(hào)的方式傳遞出去，通過運(yùn)算放大器把電壓放大并送到電壓比較器中，再通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值改變此時(shí)的電壓。經(jīng)過電壓比較器的輸出信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警模塊中的三極管上，三極管的工作狀態(tài)決定蜂鳴器是否報(bào)警;溫度傳感器的電信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器上，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而點(diǎn)亮七段數(shù)碼管。通過滑動(dòng)變阻器的阻值變化改變模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的電壓，最終改變數(shù)碼管上的數(shù)值。所有調(diào)試與修改，電路的仿真運(yùn)行都可通過Proteus在電腦上實(shí)現(xiàn)，最后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行元件的選購，電路的焊接與調(diào)試。由于Proteus仿真結(jié)果十分直觀，便于學(xué)生們發(fā)現(xiàn)電路中的錯(cuò)誤，提高了學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)可以參考仿真結(jié)果以避免由于不良元件造成的電路問題。

4? ? ? 總? ? 結(jié)

Proteus以其強(qiáng)大的繪圖與仿真能力為我們提供了有別于傳統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的新型教學(xué)方法。它可以直觀地展示各種電子元件的運(yùn)行方式，加深學(xué)生們對(duì)基本元件的理解;簡化實(shí)驗(yàn)的步驟，可以做到先把電路圖修改完畢再進(jìn)行最后的實(shí)物焊接，提升了學(xué)生們實(shí)驗(yàn)的效率。實(shí)際電路運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出的各種電氣特征是由芯片、元器件、電路連線、運(yùn)行環(huán)境等多種因素共同決定的[4]。Proteus排除了外界因素，是在理想環(huán)境下通過軟件模擬這些電路特性，應(yīng)用Proteus進(jìn)行仿真與實(shí)際操作差別很小，可以完美地把理論應(yīng)用到實(shí)踐中。

主要參考文獻(xiàn)

[1]彭麗萍，陳煒，劉平英.Proteus在電子技術(shù)課程中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2011（24）：163-164.

[2]朱清慧，張鳳蕊，翟天松，等.Proteus教程：電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2016：1.

[3]江維，吳雨川，李紅軍.基于PROTEUS和MDK的嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（5）：22-25.

[4]潘輝.Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（20）：143-146.