Proteus虛擬仿真平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程教學(xué)中的應(yīng)用

王 斌

(江西服裝學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，江西 南昌 330201)

我校(江西服裝學(xué)院)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中明確提出：建立與理論教學(xué)緊密聯(lián)系的實(shí)踐教學(xué)體系，加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合；學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)其專業(yè)知識(shí)和學(xué)以致用的能力，所有畢業(yè)生應(yīng)具備解決專業(yè)涉及的復(fù)雜應(yīng)用問題的能力。因此，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用和實(shí)踐能力成為一個(gè)重要問題，應(yīng)盡可能在現(xiàn)有環(huán)境條件下讓所有學(xué)生得到充分有效實(shí)踐。受新冠肺炎疫情的影響，2020學(xué)年春季學(xué)期，為了正常開展各項(xiàng)教學(xué)工作，幾乎所有課程都轉(zhuǎn)移到了線上進(jìn)行，也即通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)代替線下教學(xué)。線上教學(xué)最大的優(yōu)勢(shì)就是打破了空間和時(shí)間的限制，讓身處任何地方的教師和學(xué)生都可在虛擬空間里完成教和學(xué)。然而對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，比如“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“傳感器原理及應(yīng)用”等物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程，無法利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境，實(shí)踐教學(xué)的順利開展將受到極大的限制。為了保障線上教學(xué)環(huán)境下專業(yè)核心課程的教學(xué)效果，我們將Proteus虛擬仿真與線上教學(xué)相結(jié)合，充分利用虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，通過Proteus虛擬仿真軟件來模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生通過該平臺(tái)可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，可有效保障學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉和提升[1]。

一、 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程教學(xué)現(xiàn)狀

“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”“傳感器原理及應(yīng)用”等均為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，這些課程的理論知識(shí)抽象難懂，且較為枯燥，如果僅有理論教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)完課程后很難進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致動(dòng)手能力不足。因此，將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合是必然的選擇。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下問題：

(1) 受新冠肺炎疫情的影響，無法做到在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

(2) 多數(shù)高校配備的硬件實(shí)驗(yàn)箱有限，難以做到每人1臺(tái)，通常以3～5人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，容易造成部分學(xué)生未能得到有效鍛煉。

(3) 因?qū)嶒?yàn)箱本身的特性，配套實(shí)驗(yàn)多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中可操作性有限，在鍛煉和提升學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力方面存在欠缺。

(4) 由于學(xué)生的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不足，在進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)誤操作，造成芯片或電路板燒毀的情況，導(dǎo)致硬件成本大幅上升，還可能影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)[2]。

(5) 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所一般較為固定，開放時(shí)間也有一定限制，勢(shì)必造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)存在時(shí)間和空間上的限制。

針對(duì)上述情況，我們幫助學(xué)生在個(gè)人計(jì)算機(jī)上快速搭建了基于Proteus虛擬仿真軟件的教學(xué)環(huán)境，主要應(yīng)用于“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”等物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)核心課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，在線上教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)，為了更好地利用Proteus虛擬仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，滿足線下教學(xué)的需求，我校大數(shù)據(jù)學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)中心搭建了仿真環(huán)境，為進(jìn)一步開展線上線下混合式教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、 Proteus虛擬仿真平臺(tái)

Proteus是由英國(guó)Lab Center Electronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件[3-5]，它可實(shí)現(xiàn)從原理圖布置、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真。該平臺(tái)真正做到了將電路仿真、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真三者融合于一體。Proteus支持8051、AVR、ARM、8086、MSP430以及Cortex和DSP系列等處理器模型，支持字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點(diǎn)陣、七段數(shù)碼管、鍵盤/按鍵、直流/步進(jìn)/伺服電機(jī)、RS232虛擬終端等通用外設(shè)模型，以及使仿真電路通過PC機(jī)串口和外部電路實(shí)現(xiàn)雙向異步串行通信，并支持IAR、Keil等多種編譯器。在仿真元器件資源方面，包括仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，仿真儀表資源眾多，包括示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器等。同時(shí)還提供了模擬和數(shù)字測(cè)試信號(hào)，極其方便電路的測(cè)試。在此平臺(tái)上可開展模擬電路與數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)與嵌入系統(tǒng)軟件教學(xué)實(shí)驗(yàn)、微控制器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等多種課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，軟件和硬件結(jié)合、理論和實(shí)踐結(jié)合是必然的選擇。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的基礎(chǔ)上，以Proteus虛擬仿真軟件為核心，結(jié)合其他仿真軟件，將其引入課程教學(xué)，可有效解決存在的相關(guān)問題。該仿真平臺(tái)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求不高，普通的臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦均可快速搭建實(shí)現(xiàn)，極大地方便了學(xué)生在PC機(jī)上搭建Proteus虛擬仿真環(huán)境。學(xué)生可隨時(shí)隨地根據(jù)自己的構(gòu)想來設(shè)計(jì)和搭建仿真電路，并快速得到仿真驗(yàn)證結(jié)果，極大地提高了設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)實(shí)物的效率和成功率。

三、 Proteus虛擬仿真軟件在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程教學(xué)中的應(yīng)用

1. 在“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的應(yīng)用

在各種電子設(shè)備中，直流電源是不可或缺的部分，在“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，直流電源模塊電路所涉及的電路知識(shí)也是十分重要的。因此，以直流電源電路設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)如圖1所示仿真電路。輸入的交流電經(jīng)由4個(gè)二極管構(gòu)成的橋式電路整流后初步變成直流電，然后進(jìn)行電容濾波，最后利用7805穩(wěn)壓模塊，將輸出的直流電穩(wěn)定在5 V左右，仿真輸出波形如圖2所示。通過以上Proteus仿真快速實(shí)現(xiàn)了直流電源電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，直觀效果明顯，十分有助于模擬電路知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)。

圖1 5 V直流電源電路仿真

圖2 5 V直流電源電路仿真輸出過程波形

在數(shù)字電路學(xué)習(xí)中，組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路是課程的核心內(nèi)容。在組合邏輯電路中，加法器、比較器、編碼器等均是重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)后通過Proteus仿真平臺(tái)，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)搭建仿真電路，并驗(yàn)證仿真結(jié)果與理論結(jié)果是否吻合，在進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有效掌握的同時(shí)，大大增加了學(xué)習(xí)的趣味性。

以利用1片74HC283構(gòu)成一個(gè)4位二進(jìn)制加法器組合邏輯電路為例，設(shè)計(jì)仿真電路如圖3所示，同時(shí)選擇4片異或門電路74HC86和5個(gè)LED燈來構(gòu)成輸入電路和輸出顯示電路。在該電路中，當(dāng)C0=0時(shí)，b0-b3向B0-B3輸出原碼，此時(shí)進(jìn)行加法運(yùn)算，即S=A+B+C0=A+B；當(dāng)C0=1時(shí)，b0-b3向B0-B3輸出反碼，此時(shí)進(jìn)行減法運(yùn)算，即S=A+B+C0=A+B+1=A+(B)補(bǔ)=(A-B)補(bǔ)。在進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，初步選擇8組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中加法和減法各4組，仿真運(yùn)行并觀察輸出結(jié)果，并將輸出結(jié)果填入真值表中，同時(shí)將仿真輸出結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)兩者是否一致。此仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)加法組合邏輯電路有了更加清晰和深入的認(rèn)識(shí)和理解，在學(xué)習(xí)其他組合和時(shí)序邏輯電路時(shí)均采取類似的教學(xué)方法，效果良好。

圖3 4位二進(jìn)制加法器邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真

2. 在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中的應(yīng)用

在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了單片機(jī)I/O口、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口數(shù)據(jù)傳輸、I2C通信、SPI通信等重要知識(shí)[5-6]。這里以單片機(jī)與上位機(jī)之間串口數(shù)據(jù)傳輸仿真為例，快速搭建仿真電路，如圖4所示。

圖4 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間串口通信電路仿真

單片機(jī)選擇最簡(jiǎn)單的51單片機(jī)作為主控核心，并通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常通信。同時(shí)P0口控制7段數(shù)碼管顯示上位機(jī)發(fā)過來的數(shù)字，通過按鍵控制外部中斷0實(shí)現(xiàn)單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過虛擬串口軟件虛擬出2個(gè)互聯(lián)的串口，并利用串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，例如上位機(jī)發(fā)送數(shù)字“9”，數(shù)碼管就顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字(如圖4所示)。此仿真可使學(xué)生快速掌握串口通信和外部中斷的基本原理和應(yīng)用，同時(shí)仿真電路還可完全移植到實(shí)物電路中進(jìn)行應(yīng)用，使得學(xué)生的理論分析和實(shí)戰(zhàn)能力都得到了鍛煉和提升。

3. 在“傳感器原理及應(yīng)用”課程中的應(yīng)用

在“傳感器原理及應(yīng)用”課程中，涉及溫度、濕度、壓力、光敏、位移等多種類型傳感器，在Proteus仿真平臺(tái)中已初步集成了DS18B20溫度傳感器、GP2D12紅外測(cè)距傳感器、MPX4115壓力傳感器、SHT11溫度濕度傳感器、光敏電阻傳感器等多種類型的傳感器。此外，若仿真系統(tǒng)中未集成某種類型傳感器時(shí)，可根據(jù)該類型傳感器的基本原理模擬和設(shè)計(jì)傳感器電路，使學(xué)生對(duì)傳感器原理和電路設(shè)計(jì)有更加明確和深刻的認(rèn)知，對(duì)傳感器原理的學(xué)習(xí)起到進(jìn)一步的促進(jìn)作用。

以集成式溫度傳感器DS18B20為例進(jìn)行應(yīng)用電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，仿真電路如圖5所示。在該傳感器應(yīng)用仿真電路中選取51單片機(jī)為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，處理完后將溫度值傳送到LCD顯示屏上顯示。此外，利用示波器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)該型號(hào)傳感器的認(rèn)知。

圖5 DS18B20溫度傳感器應(yīng)用電路仿真

將Proteus虛擬仿真軟件引入“傳感器原理及應(yīng)用”課程教學(xué)，使學(xué)生不但掌握了各種類型傳感器的基本工作原理，而且初步掌握對(duì)各種傳感器的應(yīng)用，進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用能力，極大地提升了課程學(xué)習(xí)效果。

四、 結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程的實(shí)踐教學(xué)中，以計(jì)算機(jī)虛擬仿真為核心，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線，將Proteus虛擬仿真軟件應(yīng)用于課程教學(xué)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間限制，讓學(xué)生隨時(shí)學(xué)、隨地學(xué)；減少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用能力的限制，學(xué)生可根據(jù)設(shè)想進(jìn)行任意構(gòu)建和設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮想象力和綜合設(shè)計(jì)能力；大大減少了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本和后期維護(hù)成本，仿真設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)任何失誤，均只需重新設(shè)計(jì)即可，幾乎不需要成本投入；一套虛擬仿真平臺(tái)可應(yīng)用于多門物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)和使用的延續(xù)性強(qiáng)，平臺(tái)使用成本投入少。因此，Proteus虛擬仿真在教學(xué)中得到了很好的應(yīng)用和推廣，教學(xué)效果也得到了高度認(rèn)可，為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程的教和學(xué)提供了良好的支撐和保障。