基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗室的構建

葉果

摘 要：在分析了傳統實驗室的缺點后，闡述了為何需要構建虛擬仿真實驗室，并提出了基于Proteus軟件平臺的單片機虛擬仿真實驗室的框架和構建方案。通過單片機虛擬仿真實驗系統，將理論與實際相結合，不僅可以提高教學質量和效率，也有利于培養學生的綜合能力及促進學校教學的改革。

關鍵詞：虛擬仿真 ?Proteus ?單片機 ?仿真實驗室

中圖分類號：G482 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0231-02

目前，我國大多數的工科高職院校都開展有單片機原理及應用、微機接口技術等實踐性較強的專業必修課，此類課程的教學內容包括理論教學和實踐教學兩大環節。但是，由于此類課程的實驗內容對實驗儀器設備和實驗場地的需求量比較大，因而導致在實踐教學環節中面臨諸多困難。

虛擬仿真技術是以網絡技術、計算機技術和專業知識為依托，以多媒體技術為手段，用一個虛擬的仿真系統來模仿真實系統的技術。它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識等多學科融合的結晶。在實踐教學環節引入虛擬仿真技術，具有以下兩點優勢：（1）采用虛擬仿真技術，不僅可以減少設備購置費，還可以節約實驗用地，降低了實驗室建設的硬件成本，有利于緩解實驗室建設經費緊張的壓力;（2）仿真實驗的引入突破了實驗時間和空間的限制，有利于實驗教學的開展和實驗設備的利用，進而有利于推進實驗教學的改革。

1 基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗室

1.1 虛擬仿真實驗室概念

所謂虛擬仿真實驗室就是利用虛擬仿真技術，在計算機網絡平臺上，利用相關仿真軟件學習電子電路、電路分析、單片機應用系統、ARM應用系統等實踐課程，并可以開展電子系統設計、仿真、調試等相關實驗的實驗室。一個計算機網絡硬件平臺（或一臺計算機）、一套電子仿真軟件，再加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬、虛實結合，即為虛擬仿真實驗室的本質。

單片機虛擬仿真實驗室采用Proteus仿真軟件和相應的硬件平臺構成一個從虛擬到實際，從軟件到硬件，從概念到產品的全過程設計的多功能實驗平臺。它主要用于電路分析、模擬電路、數字電路、嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）等課程的實驗、設計和開發等[4]相關工作。

1.2 Protcues軟件平臺

Proteus是英國Lab Center Electronics公司出版的一款功能強大的EDA工具軟件。該軟件提供智能原理圖設計系統、PCB設計系統功能以及模擬電路和數字電路與MCU器件混合仿真系統等功能。其不僅可以開展傳統的模擬電子線路實驗、數字電路實驗的仿真工作，而且還可以仿真單片機與嵌入式系統等實驗。其適應性強，支持面廣，不僅可以仿真傳統的51系列、AVR、PIC等常用MCU，而且還提供了大量的電子元件庫，可以實現常用設備和元器件的硬件仿真。在編譯方面，Proteus還支持keil和MPLAB等多種編譯器。

1.3 單片機虛擬仿真實驗室系統架構

圖1給出了基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗室的系統架構。該系統以建立在計算機網絡平臺上Proteus軟件平臺為基礎，構建了整個單片機實驗系統的綜合實訓和創新設計平臺。該虛擬仿真實驗系統可以完成原理圖設計、PCB布線以及單片機編程和系統仿真調試等一系列工作，實現了從概念到產品的整個設計流程，便于學生掌握電子系統或產品的這個開發流程。

2 虛擬仿真實驗室的實驗方法

傳統的單片機實驗中，硬件部分大多采用市場上完善的實驗電路板或實驗箱，學生在實驗過程中一般不存在硬件部分的設計。因而，傳統的單片機實驗基本上是驗證性實驗，其實驗流程可以歸納為“根據原理圖連線→下載代碼并調試→運行并檢驗實驗結果是否達到預期”等3大步驟。此類驗證性實驗缺乏創新性，不利于培養學生的實踐能力和創新意識。基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗室則可以進行硬件電路和軟件系統的設計和開發，所有軟硬件系統的設計、調試和驗證都可以在仿真平臺上進行，同時對軟硬件系統的設計修改十分簡單便捷，節約開發時間的同時降低了開發成本。于此同時，還可以利用傳統的實驗設備對仿真實驗的效果進行驗證，基于Proteus的單片機仿真實驗系統其實驗流程見圖2所示。

3 虛擬仿真實驗室的教學效果

3.1 節約成本，緩解了實驗室的硬件條件限制

隨著高校的擴招，學生人數增加與實驗室條件不足的矛盾日益突出，尤其是工科專業的實驗課程多數具有實驗儀器成本高、實驗環境要求嚴格等特點。

3.2 實現課程教學模式的改革

引入Proteus虛擬仿真實驗系統后，有利于理論與實踐的聯系，便于學生對理論知識的理解和掌握，同時也改變了傳統的課程教學模式。

3.3 增強學生的實踐創新能力

學生利用虛擬仿真實驗教學資源參與教師的教學和科研項目，并以課程設計、畢業設計等方式完成課題中的部分任務。通過這些課題的訓練，增強了學生的實踐能力和創新能力，收到了良好的實踐教學效果。

4 結語

構建基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗室系統，不僅可以緩解實驗室建設的資金壓力、節約建設成本，更可以幫助學生更好的掌握理論教學知識，加深對概念、原理的理解。學生通過該系統進行基礎性實驗、綜合性實驗、創新性實驗，加強學生的綜合能力的培養和創新能力的培養。此外，引入Protcus虛擬仿真實驗，有利于促成課程和教學改革，更有利于具備工程實踐能力的應用性人才的培養。

參考文獻

[1] 劉萌，鄭煊.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構建[J].山東教育學院學報，2009，6（4）：12-15.

[2] 潘輝.Proteus虛擬實驗環境在單片機教學中的應用[J].計算機教育，2010，20（10）：143-146.

[3] 徐小棟，胡春，董守昆.利用Proteus軟件構建單片機虛擬仿真實驗室[J].計算機與數字工程，2012，40（1）：154-157.