Proteus在《微型機原理》課程教學中的應(yīng)用

張亞軍

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

0 引言

《微機原理》課程是電氣自動化專業(yè)、計算機及相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，且該課程相對專業(yè)性理論的要求比較高，所以比較抽象；又是《自動控制》、《計算機組成原理》、《嵌入式原理及開發(fā)應(yīng)用》等課程的后繼課程的基礎(chǔ)，要求學生對此門功課的學習能夠扎實、勞固的掌握，可是學習過程比較困難，如果在實際的教學過程中，只以課堂理論講述為主，而忽略了實際實驗操作，這樣就讓學生感覺到課程的枯燥乏味，并且理論只是口頭論述，只能講解表面的知識，無法讓學生做到更深入的了解。

為了激發(fā)學生的學習積極性和對理論的充分認識、勞固掌握，提高學生的動手動腦能力和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，在教學過程中運用Proteus軟件，對增強學生的思維活躍性有很大的促進作用。利用這款軟件的仿真性能，讓整個教學過程更加生動、形象，讓學生更加深入的了解所學知識，從而這款軟件起到更加積極的作用。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真微處理器及外圍器件[1]。

1 幾種教學方式比較

信息化新時代下電子原件多樣化，電路的多樣化已是一個快速發(fā)展趨勢，軟件硬件更新?lián)Q代之快更是令人驚嘆。微機原理教學課程本身的教學內(nèi)容涉及到的知識非常廣泛，在教學過程的講述也是比較抽象的，并且不容易做到有效的實際演示，這樣一來學生吸收教學知識的能力大大降低，從而嚴重影響教學質(zhì)量。像一些稍微復雜一些的電路知識，如果只是通過畫圖的辦法不但消耗時間并且浪費精力，如果用PPT的形式進行教學演示，對于整個教學內(nèi)容來說也只是一個模糊的概述，類似這樣的軟件實際教學效率非常有限。隨之面臨的硬件教學課程局限性的弊端就不可掩蓋了。在這種傳統(tǒng)的教學實例演示過程中，學生接收的只是一些枯燥千篇一律的內(nèi)容，所以不能調(diào)動學生對知識的求知欲望。

1.1 焊接時代的教學不足與優(yōu)勢

《微機原理》原生態(tài)的教學時代要算是通過焊接來去追求深刻地理解理論，驗證理論，從實踐中檢驗真理，習得真理。科學本省就是自然界的“道”：法則，一定事物在一起就能產(chǎn)生一定的現(xiàn)象，《微型機原理》亦是一門精神奇妙的科學。對于傳統(tǒng)的焊接時代的教學，老師教學不能借助事物很好地形象化的表達，學生面對海量的模糊理論的概念以及繁瑣焊接試驗操作，對學生的學習熱情和求知欲有很大的副作用，同時這種通過焊接方式來練習對硬件資源也是一種極大的浪費。

任何事物都有利與弊兩方面的存在，焊接時代《微型機原理》教學也一樣，這種原生態(tài)的教學方式所有形象化教學的限制和硬件時間的巨大花銷及不利于學生新思路創(chuàng)新的產(chǎn)生和實踐，然而它也存在不容忽視優(yōu)勢：教與學都最接近本質(zhì)時間，教和學都直擊實踐，與當大量理論少實踐的教學模式下，這種方式無疑是直接接近本質(zhì)。

1.2 實驗箱時代教學的弊端與優(yōu)勢

相對傳統(tǒng)焊接年代的教學形式有了很大提高，學生可以通過更統(tǒng)一的電子模版——實驗箱，在教師教學和學生實踐方面有了很大地積極促進作用。教師通過實驗箱能更形象化，具體化地描述理論和實踐理論，可重塑性好，學生容易試驗，這種比較統(tǒng)一電子模版也讓學生的思路有了更廣闊的空間，能夠好地激發(fā)學生新奇思維產(chǎn)生和新事物的創(chuàng)造。然而這種比較統(tǒng)一的助教助學的電子模版的產(chǎn)生使教學有點遠離了具體實踐的本質(zhì)，學生只能機械地按照實驗箱上有限的資源來完成有限的實驗，有點遠離了硬件操作的本質(zhì)。

1.3 Proteus時代教學的優(yōu)勢

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到微處理器與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。具體優(yōu)勢表現(xiàn)在以下一個方面：

一是，Proteus電路設(shè)計仿真軟件功能完善，可對一般的電路及各種電路應(yīng)用程序（如單片機程序）進行仿真模擬。以前普遍使用的EWB，其界面，儀表功能、信號發(fā)生器等都不如人意。Proteus電路設(shè)計仿真軟件功能非常完善，其應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）發(fā)光電極管、燈泡、數(shù)碼管等器件的可發(fā)光和開關(guān)的可開閉及揚聲器的可發(fā)聲，實物店魯能觀察到電路現(xiàn)象等，這些功能通過Proteus都可實現(xiàn)。（2）各種電源包括直流、交流；信號源包括正弦波，矩形波。是哪較薄，尖脈沖，音頻信號；電壓，頻率和其他各種參數(shù)都可根據(jù)需要通過Proteus設(shè)定。（3）具備各種儀表：微伏表、毫安表、安培表等電壓表；頻率計：四蹤示波器等。總之，實驗室里所需要的元器件，儀器儀表都配備完善，最基本的元器件功率、耐壓、外形的差別都能體現(xiàn)出來，并可進行四蹤示波器四路信號的實時比較。其設(shè)備之齊全，功能之完善，與以往所使用的軟件比較效果更加明顯。

二是，投資少，損耗為零，緊跟市場。一套常規(guī)多媒體示教平臺，裝上Proteus軟件就可以使用——成本為零。由于其安全性能好，實驗設(shè)備損耗為零，不會出現(xiàn)因?qū)W生的誤操作損壞儀器設(shè)備的情況、能節(jié)省大量的時間用于實驗的準備和調(diào)試，并可以進行升級，完全可以與企業(yè)的需要保持一致。

三是，直觀、真實，可以顯示演示的內(nèi)容和過程，與真實的試驗相比毫不遜色，卻有更多的靈活性及更準確的數(shù)據(jù)參數(shù)。用戶甚至可以實時采用諸如 RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI器件，部分IIC器件。基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。

四是，擁用多媒體數(shù)學平臺進行教學，與純理論數(shù)學相比，能有效提高學生的學習興趣。由于感性認識的增加，學生更容易理解，可有效地按時完成教學任務(wù)。教師可根據(jù)實際需要，通過Proteus的演示進行問題發(fā)現(xiàn)式、驗證總結(jié)式教學使學生順利消化每一節(jié)課的知識。

2 Proteus+8086虛擬實驗平臺

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真及印刷電路板設(shè)計軟件，它應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)，可以仿真，分析各種模擬電路與集成電路。。該軟件提供了大量模擬與數(shù)字元器件，外部設(shè)備及各種虛擬儀器，并具有對常用控制芯片機器外圍電路組成的綜合系統(tǒng)的交互仿真功能。

Proteus提供多種多樣型的虛擬仿真模型，例如VSMC for 8051,VSM for AVR,VSM for ARM7/LPC2000,VSMforPIC11/12/16/18/24/33,VSM for HC11及VSM for MSP430等。Proteus 106強大的設(shè)計與仿真功能被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電路，模擬電路，單片機，嵌入式系統(tǒng)等多門課程的教學和實驗中。但是，Proteus在微機原理教學中的應(yīng)用卻鮮為少見，這主要是因為以往的Proteus版本缺乏對微機原理課程所設(shè)計芯片的支持。直至2009年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平臺及Proteus7.5 SP3軟件，支持8086微處理器與8255，8253，8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真。Proteus為8086微處理器設(shè)定了一些默認值，同時也可以通過“編輯元器件”功能對8086模型的多種屬性進行修改，如表所示。此外，8086模型支持將源代碼的編輯和編譯整合到統(tǒng)一設(shè)計環(huán)境中[2]。

2.1 在《微機原理》理論教學中的應(yīng)用

在講述《微機原理》課程的接口芯片時，為了能讓學生掌握芯片的功能、結(jié)構(gòu)及引腳，需要借助相應(yīng)的實例進行講解。8086的中斷系統(tǒng)相對比較復雜，講解起來不容易講明白，但借助Proteus通過圖示的形式，講起來就比較直觀，而且學生的記憶也比較深刻[3]。如1所示，采用中斷方式完成數(shù)據(jù)的輸入輸出傳送。

圖1 8259A的仿真實現(xiàn)

這樣對程序的編寫流程很容易理解。

2.2 Proteus在單片機教學中的應(yīng)用

單片機的學習采用項目化的教學形式，在教學中引入“以培養(yǎng)關(guān)鍵能力為核心”的項目教學法，項目教學法是師生通過共同實施一個完整的項目而進行的教學活動，每節(jié)課都圍繞著一個特定項目展開，用項目構(gòu)建本節(jié)課的知識體系。在項目教學中，教師圍繞具體項目以模塊方式組織教學內(nèi)容，引導學生邊學邊做、邊做邊學，在實踐中學習這門課。教師不再把現(xiàn)成知識技能傳遞給學生作為教育的唯一目標，或者說不是簡單地讓學生按照教師的安排和講授去得到一個結(jié)果，而是在教師的指導下，讓學生把看到的、聽到的與手上做的結(jié)合起來。學生在尋找這個結(jié)果的過程中，學會思考、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，進而增強信心、提高學習積極性，最后進行展示和自我評價。與傳統(tǒng)的教學方法相比，項目教學法有效地建立了課堂與實踐之間的聯(lián)系，能將教學課題的理論知識和實際技能結(jié)合起來;學生有獨立制定計劃并實施的機會，在一定時間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學習行為，使學生的學習更 有針對性和實用性。 在應(yīng)用項目式教學的過程中必須軟件硬件結(jié)合，也就是將程序和外圍電路相結(jié)合。采用虛擬仿真技術(shù)Proteus軟件，則不用制作具體的電路板就能夠完成以上工作，使項目實現(xiàn)更加方便經(jīng)濟[4]。

將Proteus引入單片機課堂教學首先，在單片機課堂教學中采用Proteus，可以進行大量實例演示，將原本用語言不便描述的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)出來，一目了然，增強了教學的生動性和直觀性。教師可以開發(fā)教學演示項目，制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，比如流水燈、交通燈、數(shù)字鐘等，讓學生對單片機應(yīng)用系統(tǒng)有一個感性認識。而且 Proteus具有用色點顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，在仿真過程中，引腳上的有色小方塊顯示其狀態(tài)，紅色表示高電平，藍色表示低電平，灰色表示浮空，黃色表示沖突(如兩個器件同時向總線上傳送數(shù)據(jù))。這給用戶調(diào)試、演示帶來方便，教師可通過單步調(diào)試的方法讓學生觀察引腳的高低電平變化。其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點。在單片機教學中，P0口作為準雙向口的這個概念以及如何應(yīng)用、中斷如何產(chǎn)生、LED燈的位選和線選 如何區(qū)別等都是教學中的重點和難點，可以通過Proteus的演示讓學生掌握清楚。例如:中斷優(yōu)先級是教學中難以掌握的問題，以往學生在課堂聽不懂，課后也搞不清。現(xiàn)在用 Proteus在多媒體教室進行仿真，學生也參與操作，顯示直觀清晰[5]。學生通過觀察和操作，不僅學懂了，主動性也明顯提高，效果很好。

Proteus仿真軟件打破了學習的時間限制，開拓了學習的空間，只要有一臺電腦，學生就可以利用課余時間，在自己的 PC上隨時進行仿真實驗。采用Proteus仿真軟件，既節(jié)約大量昂貴的實驗儀器費 用，還能避免真實實驗或操作所帶來的各種危險，和因操作不當而造成的儀器儀表的損毀。在單片機課程要求的實驗基礎(chǔ)上，可以進一步開展實驗室開放性教學，主要包括兩種開放形式:一是，學生在實驗課上沒有完成的實驗內(nèi)容，或?qū)ψ鲞^的實驗存在疑問;二是，處于對單片機的興趣，或在原有單片機學習的基礎(chǔ)上，在老師的指導下，自己動手，完成單片機系統(tǒng)的設(shè)計、焊接、編程、調(diào)試及分析等工作[6]。允許學生在業(yè)余時間進行預約實驗，同時向自己有微機的學生提供仿真所需軟件資源，開闊學生的課外學習活動空間，鼓勵學生參加科技小組活動。

2.3 在實訓中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的微機原理仿真實驗主要采用硬件仿真電路箱的模式，試驗箱大量的輔導信號線，如地址譯碼器電路，數(shù)據(jù)線，讀寫線等已經(jīng)進行了集成，這樣學生在做實驗時，只能賊既定的框架中進行各種演示實驗，從而限制住了學生的想象能力。另一方面，由于硬件實驗室一般不是開放式實驗室，因此學生很難在實驗課前進行很好的準備工作，尤其是在硬件電路方面，從而在實驗過程中用大量的時間進行電路連線的檢查工作，影響實驗效率。

而通過Proteus仿真軟件，學生能過在課前進行很好的電路設(shè)計，進行初步的軟硬件之間的聯(lián)合調(diào)試，如果在仿真過程中出現(xiàn)問題，能夠很好地利用仿真軟件的調(diào)試工具進行各個硬間設(shè)備的檢測與調(diào)試[7]。在做好準備工作后，進行實驗課時，可以把軟件仿真的結(jié)果直接應(yīng)用到硬件試驗箱中，能夠很好地驗證從仿真到真是應(yīng)用的整個流程，從而提高學生的動手能力，有效地提升實驗效果。

3 結(jié)束語

使用Proteus軟件進行系統(tǒng)仿真設(shè)計,是虛擬仿真技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力；在《微型機原理》課程設(shè)計中，我們使用Proteus開發(fā)環(huán)境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對《微型機原理》的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用Proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。在實踐教學中，傳統(tǒng)方法多數(shù)是利用硬件試驗箱來完成，這存在很多不足之處。借助Proteus可以輔導教師的教學，對學生進行實驗，課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計等都有很大的幫助。為了加深對理論知識的理解，促進理論和應(yīng)用的結(jié)合，我們在課堂教學過程中應(yīng)選擇仿真軟件Proteus，進行匯編程序的調(diào)試和演示，激發(fā)學生的學習興趣。因此，Proteus有較高的推廣利用價值。

［1］胡建波.微機原理與接口技術(shù)實驗：基于Protues仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］陳越,顧暉，等.Proteus虛擬仿真在微機原理教學中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（01）：106-108.

［3］劉鄒，丁青青.基于 Proteus的硬件在回路仿真[J].計算機仿真，2009,26（2）.

［4］王寧，陳鋮.非計算機專業(yè)“微機原理與接口技術(shù)”課程的教學實踐與探索[J].教育與教學研究,2008（24）.

［5］彭偉.單片機c語言程序設(shè)計實訓100例[M].北京：北京電子工業(yè)出版社,2010.

［6］少航，李山,苗亮亮,等.基于Proteus的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007（6）.

［7］徐麗偉.淺談微機一體化教學[J].科教論叢，2009（6）.