PROTEUS虛擬電子實驗室在教學中的應用研究

摘要：基于PROTEUS的虛擬電子實驗室具有投入低、易維護、先進性、創(chuàng)新性、多功能性等特點，可以彌補傳統(tǒng)硬件電子實驗室的諸多不足。著重介紹了PROTEUS軟件、虛擬電子實驗室的系統(tǒng)結構及其在試驗教學中的應用實例。河南科技大學將該項研究應用于教學實踐，取得了顯著效果。

關鍵詞：PROTEUS；虛擬實驗室；教學實例

中國分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0124-02

現今，高校出于教學和科研的需要均建設有各類電子實驗室，硬件設備數量龐大，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，各種新設備、新器件層出不窮，這就造成這樣一種現狀：某一種實驗設備剛進實驗室就有可能在短期內面臨著技術上的落后。因此，基于各種硬件設備建立的電子實驗室存在著不利于管理維護、不利于保持實驗室的先進性、不利于保護前期巨大投資等缺點。而且，現有的各類硬件電子實驗室往往針對相應的課程實驗配置硬件，而各門課程實驗內容彼此孤立，這就造成硬件設備通用性差、利用率低，學生通過傳統(tǒng)實驗手段所得到的訓練是片面的、局部的，其對產品開發(fā)過程的認識并不深刻，直接導致了學生所學不能為之所用，不利于培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新能力?；赑ROTEUS軟件的虛擬電子實驗室具有投入低、易維護、先進性、開放性、創(chuàng)新性、多功能性等特點，可以彌補傳統(tǒng)硬件電子實驗室的諸多不足，為電子類專業(yè)的實驗室建設和教學帶來了前所未有的新思維。

一、PROTEUS仿真軟件介紹

PROTEUS軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的一款功能強大的EDA工具軟件，具有智能原理圖設計、ProSPICE混合仿真、微處理器協(xié)同仿真和一鍵可進入PCB設計等功能。PROTEUS提供了豐富的元器件資源，除了具有電容、電感、電阻、晶體管、放大器等其他仿真軟件均具有的常規(guī)元件外，還具有ARM7、8051/52、AVR、PIC等主流微處理器及LCD模塊、LED點陣、鍵盤/按鍵等通用外設元器件。PROTEUS提供了示波器、信號發(fā)生、邏輯分析儀等各種儀表資源。PROTEUS還具有圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時顯示出來。在程序編譯和調試方面，PROTEUS內集成有8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境結合進行高級語言的仿真和調試。PROTEUS仿真軟件的具體功能及特點介紹如下：

1.智能化的原理圖設計

豐富的器件庫功能可方便地創(chuàng)建新元件，智能的器件搜索功能可通過模糊搜索來快速定位器件，智能的連線工具能夠使導線連接簡單快捷；支持總線結構，使用總線布線和總線器件使電路設計更簡明；可輸出高質量圖紙，通過設置可以生成清晰BMP圖紙，從而能夠方便地供POWERPOINT、WORD等文檔使用。

2.微處理器仿真功能

支持多種主流CPU類型，包括8086、8051/52、MSP430、ARM7、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加；支持通用外設模型，如LED點陣、LCD模塊、鍵盤/按鍵、伺服電機/直流/步進、電子溫度計、RS232虛擬終端等等，其COMPIM可以使仿真電路通過計算機串口和外部的電路實現串口通信；實時仿真支持SPI/I2C仿真、中斷仿真、UART仿真、RTC仿真、MSSP仿真、ADC仿真、PSP仿真；內帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，支持與第三方集成編譯環(huán)境（如Keil等）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試。

3.強大的電路仿真功能

ProSPICE混合仿真可實現數字/模擬電路的混合仿真：超過45000種仿真器件可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自定義仿真器件，還可以導入第三方仿真器件；高級圖形仿真功能：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析；生動的仿真顯示：導線以不同顏色表示其對地電壓大小，用色點顯示引腳的數字電平，結合動態(tài)器件的使用可以使仿真更加生動；多樣的激勵源包括脈沖、直流、分段線性脈沖、正弦、音頻、指數信號、單頻FM、碼流和數字時鐘；豐富的虛擬儀器面板操作逼真，如直流電壓/電流表、信號發(fā)生器、示波器、交流電壓/電流表、邏輯分析儀、頻率計/計數器、數字圖案發(fā)生器、虛擬終端、I2C調試器、SPI調試器等。

4.完整的PCB設計功能

能夠完成原理圖到PCB的快速轉換，原理圖設計完成后可一鍵進入PCB設計環(huán)境；具有先進的自動布局/布線功能，支持器件的人工/自動布局和布線，支持引腳交換功能，使得PCB設計更加合理；具有完整的PCB生成功能，最多可設計4個機械層、2個絲印層、16個銅箔層，用戶可靈活設置布線策略；支持多種輸出格式，支持Gerber文件的導出和導入，支持與其他PCB設計工具的相互轉換。

因此，對PROTEUS進行開發(fā)可以建立用于電子類各門課程的實驗教學及科研的完備的電子電路設計與虛擬實驗環(huán)境。[1]

二、PROTEUS虛擬電子實驗室系統(tǒng)結構

利用PROTEUS軟件的強大仿真能力，借助個人計算機，針對電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、高頻電子線路、單片機技術、ARM應用技術、微機原理等課程及電子綜合創(chuàng)新應用開發(fā)實驗項目，并進行相應的電路設計、軟件編程、仿真調試等，使得一個計算機硬件平臺、一套電子仿真軟件、一本虛擬實驗教程就可以構建一個技術先進的電子實驗室，能夠進行上述各門課程的綜合實驗。以軟代硬、以虛代實，克服場地、器材限制，即為虛擬電子實驗室的實質。

PROTEUS虛擬電子實驗室主要包括計算機網絡（或單機）和仿真實驗內容兩大部分，系統(tǒng)結構如圖1所示。[2]將PROTEUS虛擬電子實驗室開設的實驗項目分為三個層次：基礎、綜合和創(chuàng)新實驗。其中，基礎實驗以培養(yǎng)學生操作能力為主，綜合實驗以培養(yǎng)學生綜合性設計能力為主，創(chuàng)新實驗以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維設計能力為主。在每一層次均可以開展電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、高頻電子線路、單片機技術、ARM應用技術、微機原理等課程實驗。以單片機技術課程為例，在基礎實驗層次可以進行諸如流水燈顯示、數碼顯示、按鍵識別、串口通信、AD轉換等實驗的設計驗證；在綜合實驗層次，教師可以針對某一類型的MCU，如AVR系列單片機，給定一個綜合實驗（課程設計）的題目，學生按照設定題目內容開展電路圖設計、代碼的編寫、仿真調試、PCB設計、制作PCB、驗證PCB設計等。在創(chuàng)新型實驗層次，教師、學生可以按照自己的想法或興趣進行相應的設計和研究。另外，針對每門課程實驗內容必須編寫相應的實驗指導書，對每個實驗項目的實驗目的、內容、軟硬件選擇、思考題作出詳細說明，必要時可提供原理圖和源程序。

三、PROTEUS電子實驗室教學應用實例

這里以單片機技術課程中的一個實驗項目為例，說明PROTEUS虛擬電子實驗室在課程實驗教學中的應用。

1.實驗目的及要求

實驗目的：掌握AVR單片機的端口操作及外中斷的應用，熟悉Intel8253定時器的使用。

功能要求：使用ATMEGA64單片機控制單個數碼管實現0～9數值的循環(huán)顯示，并且通過Intel8253的精確定時實現每隔1秒鐘顯示數值加1的功能。

2.設計內容

（1）設計思路。將Intel8253的三個定時器T0、T1、T2工作方式均設置為方式2，并將三者串聯為一個模值為48位的定時器T，以1MHz數字時鐘作為T的CLK時鐘輸入。設置T的初始定時計數值，使得Intel8253每隔1秒鐘從OUT2端口輸出脈沖觸發(fā)信號。將該觸發(fā)信號接ATMEGA64單片機的外觸發(fā)端INT0，單片機收到中斷觸發(fā)信號，則控制相應數碼進行顯示。

（2）原理圖繪制。打開PROTEUS軟件，進入原理圖輸入界面，運用智能化元器件搜索和連線工具，繪制電路原理圖，如圖2所示。

（3）控制程序編寫與調試。采用PROTEUS與WinAVR軟件聯調的方式進行控制程序的開發(fā)與實驗結果驗證。首先操作WinAVR軟件，進行程序編寫與調試。點擊菜單File→new→project新建一個工程項目，取名為Intel8253.pnproj。點擊菜單File→New→Default，新建文件，在編輯區(qū)內編寫控制程序代碼，并保存到新建Project的目錄下，取名為Intel8253.c。右鍵點擊工程管理窗口的Intel8253工程項目，點擊Add Files，完成源程序文件添加。要順利完成編譯，還需要配置makefile文件，點擊程序里的Mfile[WinAVR]，彈出makefile文件配置對話框，分別配置芯片類型、輸出格式、優(yōu)化級別等選項后將修改后的makefile文件同樣保存到新建Project的目錄下。完成以上操作后，點擊菜單Tools→Make all即可完成程序編譯，并生成可下載文件Intel8253.hex。

其次操作PROTEUS軟件，進行結果驗證。在原理圖繪制界面里雙擊ATMEGA64芯片，在“Program File：”選項選擇上述WinAVR工具生成的可下載文件Intel8253.hex，即完成單片機程序的仿真實驗。點擊左下角“play”快捷鍵進行電路功能的驗證，根據仿真顯示結果進行軟硬件設計的調整，直至實現實驗功能要求，完成該項實驗。

四、結論

虛擬仿真的實現是對教學創(chuàng)新的極大貢獻。PROTEUS虛擬電子實驗室起步于20世紀90年代，在短短二十多年的時間內得到了快速的發(fā)展，其用戶已遍布世界各地，包括California、Stanford、Cambridge、Oxford等國際知名大學，也包括Philips、Motorola、ST、Sony等跨國公司。PROTEUS虛擬電子實驗室在20世紀初期進入我國，目前已在國內諸如華南理工、上海交通大學、中山大學、清華大學等100多所高等院校及企業(yè)得到應用。基于PROTEUS的虛擬電子實驗室是一個多功能的實驗平臺，不僅可以完成電路分析、模擬電子技術、數字電子技術的仿真實驗，而且可以完成微機原理、單片機技術、ARM應用等嵌入式類課程的仿真實驗，在河南科技大學電類課程教學實踐中發(fā)揮著重要作用。虛擬電子實驗室建成后，河南科技大學利用已有的計算機機房實現了電子技術實驗的全面開放。從2010年開始，借助該仿真實驗平臺對河南科技大學參加全國大學生電子設計競賽的學生進行賽前培訓，有效提高了學生的實踐和創(chuàng)新能力，取得了良好的培訓效果。在2011年度全國大學生電子競賽中河南科技大學獲得全國二等獎1項、省一等獎3項、省二等獎3項、省三等獎6項；在2013年度全國大學生電子競賽中獲得國家獎1項、省一等獎5項、省二等獎5項、省三等獎2項。

參考文獻：

[1]匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業(yè)Proteus實驗室的建設[J].實驗技術與管理，2009，26（1）：155-158.

[2]劉勝，楊夏.基于Proteus的數字電路虛擬實驗室建設[J].電氣電子教學學報，2012，34（3）：85-87.

（責任編輯：王祝萍）