基于Proteus軟件的虛擬實驗室的構建

李文順 尚廷義 席桂清

摘 要：Proteus進行硬件仿真是學習模電、數電和單片機課程比較快捷、有效的方法，而且可以很好的去理解和掌握硬件特征。構建了以此軟件為中心的虛擬實驗室，通過該軟件仿真實例來進一步說明該實驗室很方便性和高效性。

關鍵詞：Proteus；仿真；虛擬實驗室

Proteus是英國的Labcenter Electronics公司開發的軟件，主要功能是仿真各種模擬和數字、交流和直流的電路軟件。Proteus軟件把單片機仿真與電路仿真相結合，直接在基電路原理圖的元器件上調試和編寫單片機程序。仿真庫里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托羅拉68MH1系列、MSP430系列以及ARM7等常用的嵌入式控制器和嵌入式處理器[1]。Proteus能夠很好的對單片機外圍擴展芯片進行仿真，如數碼管顯示器、LCD顯示模塊、總線驅動器、各種可編程外圍接口芯片、矩陣式鍵盤、實時的時鐘芯片以及各種D/A和A/D轉換器等。現在許多開發環境都是軟、硬件結合，那么此款軟件可視化的相互仿真[2]。該軟件平臺既可以模擬仿真的硬件系統，而且還可以把編譯好的程序裝入仿真芯片。通過仿真系統的運行，可以與焊接好的硬件系統的電路板一樣看到運行的效果。

1 虛擬實驗室的構建

虛擬實驗室的概念是由美國的University of Virginia的William Wolf教授于1989年提出的。它是利用計算機網絡化的虛擬實驗室環境，借助于圖像仿真與虛擬現實等技術在計算機上創建一個可視化的虛擬實驗環境[5]。

結合實際情況虛擬實驗室的構建主要是以Proteus軟件為核心，是以建立電子技術基礎實驗、單片機實驗的虛擬實驗室。學院購買了正版的Proteus軟件，以及實驗室里面配備相應的微型計算機。學院共五個專業，模電、數電和單片機課程基本上都開設，這樣不僅可以為學生提供便利，而且讓學生按照自己的思路去進行電路的設計，可以很方便為開設更多的綜合性與設計性試驗打下基礎。

在教學的過程中，教師利用多媒體資源，給學生演示例題、試驗仿真效果。使學生增加對本門課程的興趣，從而更好的掌握學習內容。特別是對單片機課程，完全可以在虛擬實驗室進行授課。另外一個的優勢是可以為學生省下很多資金去購買電子元器件，這樣不僅學生可以很好的去學習這門課程，而且教師可以用此軟件去做一些項目的仿真，這樣大大可以節省時間和一些不必要的項目開銷。

2 教學實例

2.1 利用555多諧振蕩器設計一個輸出為10Hz的方波

在電容的C1一端和555的輸出端3分別連接示波器的A，B端，如圖1。單擊仿真按鈕，自動彈出示波器界面。通過選擇和調整相應按鈕和按鈕，把電容的充放電波形圖和輸出方波顯示出來。單擊仿真停止按鈕，示波器自動關閉，最好不要在示波器上關閉示波器，否則下次仿真運行時示波器不會再出現，需要從主菜單的“Debug”→“Digital Oscilloscope”中調出[3]。而在實際電路中，需要很多電子元器件和示波器。學生很快的就可以看到仿真的結果。

2.2 利用軟件仿真超聲波測距

2.2.1 超聲波測距原理

2.2.2 系統仿真

系統是由單片機與超聲波模塊構成，以發射接收信號實現測距，如圖2。使用單片機來實現對程序的控制，超聲波模塊主要負責接收信號和發射信號。仿真過程中，通過給P2.7加一個開關，模擬測距返回的Echo信號。這在一定程度上突破仿真軟件沒有系統所使用器件模型的局限性。仿真主要用于測試系統其他部分，連接上測距模塊后，可以一步檢測距離計算與顯示的準確性。

實驗室建立主要實驗有：（1）單片機最小系統的設計；（2）用P0口點亮二極管與流水燈實驗；（3）用二極管燈顯示加、減、乘、除法結果；（4）利用定時器顯示秒表；（5）獨立鍵盤與矩陣鍵盤控制數碼管顯示數字；（6）串行口通信方式1的單工通信控制流水燈顯示；（7）電子鐘的設計（綜合性實驗）；（8）多機通信實驗（綜合性實驗）。結合實際情況進行仿真實驗室內容的擴展，不斷的更新和提高仿真的深度，從而培養更多的學生。

3 結束語

通過Proteus仿真軟件可以看出，用這種純軟件的方法來取代傳統的單片機開發硬件電路和軟件仿真相結合的方法，從而避免了因焊接電路板帶來的一些不確定性的因素。大大的縮短了程序開發的周期。投資少，有明顯的經濟優勢，而且不受必須到實驗室才能做實驗條件限制。從而為學校培養綜合型的電子信息類學生創造了良好的基礎環境。

參考文獻

[1]張毅剛.基于Proteus的單片機課程的基礎實驗與課程設計[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]趙廣元.Proteus輔助的單片機原理實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3]朱清慧.Proteus教程-電子線路設計、制版與仿真（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]丁平，馬曉明.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的建立[J].電子質量，2011，5：72-74.

[5]肖令祿，朱志平.基于Proteus和Keil C的MCS-51單片機虛擬實驗室的建立[J].科技信息，2009，31：101.

作者簡介：李文順（1980-），男，江蘇銅山人，黑龍江八一農墾大學電子信息工程系，講師，碩士學位，本課題為校級教改課題。