Proteus虛擬仿真平臺在物聯(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)系的實踐教學(xué)體系，加強理論教學(xué)與實踐教學(xué)的融合；學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)其專業(yè)知識和學(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，加強物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識應(yīng)用和實踐能力成為一個重要問題，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，為了正常開展各項教學(xué)工作，幾乎所有課程都轉(zhuǎn)移到了線上進行，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)勢就是打破了空間和時間的限制，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)。然而對于實踐性較強的課程，比如“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”“單片機原理與應(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)的實驗室教學(xué)環(huán)境，實踐教學(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的優(yōu)勢，通過Proteus虛擬仿真軟件來模擬真實的實驗環(huán)境，學(xué)生通過該平臺可進行各種實驗驗證和綜合設(shè)計開發(fā)，可有效保障學(xué)生實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)完課程后很難進行相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計，導(dǎo)致動手能力不足。因此，將實踐教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合是必然的選擇。然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在以下問題：

(1) 受新冠肺炎疫情的影響，無法做到在實驗室環(huán)境下進行實驗操作。

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

(3) 因?qū)嶒炏浔旧淼奶匦裕涮讓嶒灦鄶?shù)為驗證性實驗，實驗過程中可操作性有限，在鍛煉和提升學(xué)生綜合設(shè)計能力方面存在欠缺。

(4) 由于學(xué)生的實際操作經(jīng)驗不足，在進行硬件實驗時容易出現(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)實驗[2]。

(5) 實驗場所一般較為固定，開放時間也有一定限制，勢必造成學(xué)生實驗存在時間和空間上的限制。

針對上述情況，我們幫助學(xué)生在個人計算機上快速搭建了基于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踐教學(xué)，在線上教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。同時，為了更好地利用Proteus虛擬仿真軟件的優(yōu)勢，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)工程實驗中心搭建了仿真環(huán)境，為進一步開展線上線下混合式教學(xué)提供了堅實基礎(chǔ)。

二、 Proteus虛擬仿真平臺

Proteus是由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件[3-5]，它可實現(xiàn)從原理圖布置、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真。該平臺真正做到了將電路仿真、PCB設(shè)計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點陣、七段數(shù)碼管、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端等通用外設(shè)模型，以及使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(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、信號發(fā)生器等。同時還提供了模擬和數(shù)字測試信號，極其方便電路的測試。在此平臺上可開展模擬電路與數(shù)字電路教學(xué)實驗、單片機與嵌入系統(tǒng)軟件教學(xué)實驗、微控制器系統(tǒng)綜合實驗等多種課程的教學(xué)和實驗。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程的實踐性較強，軟件和硬件結(jié)合、理論和實踐結(jié)合是必然的選擇。在任務(wù)驅(qū)動式教學(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。該仿真平臺對計算機硬件的要求不高，普通的臺式機、筆記本電腦均可快速搭建實現(xiàn)，極大地方便了學(xué)生在PC機上搭建Proteus虛擬仿真環(huán)境。學(xué)生可隨時隨地根據(jù)自己的構(gòu)想來設(shè)計和搭建仿真電路，并快速得到仿真驗證結(jié)果，極大地提高了設(shè)計制作系統(tǒng)實物的效率和成功率。

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也是十分重要的。因此，以直流電源電路設(shè)計為例，設(shè)計如圖1所示仿真電路。輸入的交流電經(jīng)由4個二極管構(gòu)成的橋式電路整流后初步變成直流電，然后進行電容濾波，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仿真快速實現(xiàn)了直流電源電路的設(shè)計和驗證，直觀效果明顯，十分有助于模擬電路知識的理解和學(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)理論知識后通過Proteus仿真平臺，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識設(shè)計搭建仿真電路，并驗證仿真結(jié)果與理論結(jié)果是否吻合，在進一步加強學(xué)生對所學(xué)知識有效掌握的同時，大大增加了學(xué)習(xí)的趣味性。

以利用1片74HC283構(gòu)成一個4位二進制加法器組合邏輯電路為例，設(shè)計仿真電路如圖3所示，同時選擇4片異或門電路74HC86和5個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，b0-b3向B0-B3輸出原碼，此時進行加法運算，即S=A+B+C0=A+B；當(dāng)C0=1時，b0-b3向B0-B3輸出反碼，此時進行減法運算，即S=A+B+C0=A+B+1=A+(B)補=(A-B)補。在進行測試實驗時，初步選擇8組參數(shù)進行實驗，其中加法和減法各4組，仿真運行并觀察輸出結(jié)果，并將輸出結(jié)果填入真值表中，同時將仿真輸出結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比分析，檢驗兩者是否一致。此仿真實驗使學(xué)生對加法組合邏輯電路有了更加清晰和深入的認(rèn)識和理解，在學(xué)習(xí)其他組合和時序邏輯電路時均采取類似的教學(xué)方法，效果良好。

圖3 4位二進制加法器邏輯電路設(shè)計與仿真

2. 在“單片機原理與應(yīng)用”課程中的應(yīng)用

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

圖4 單片機與計算機之間串口通信電路仿真

單片機選擇最簡單的51單片機作為主控核心，并通過MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常通信。同時P0口控制7段數(shù)碼管顯示上位機發(fā)過來的數(shù)字，通過按鍵控制外部中斷0實現(xiàn)單片機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機通過虛擬串口軟件虛擬出2個互聯(lián)的串口，并利用串口調(diào)試助手實現(xiàn)上位機的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，例如上位機發(fā)送數(shù)字“9”，數(shù)碼管就顯示對應(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，同時仿真電路還可完全移植到實物電路中進行應(yīng)用，使得學(xué)生的理論分析和實戰(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仿真平臺中已初步集成了DS18B20溫度傳感器、GP2D12紅外測距傳感器、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，可根據(jù)該類型傳感器的基本原理模擬和設(shè)計傳感器電路，使學(xué)生對傳感器原理和電路設(shè)計有更加明確和深刻的認(rèn)知，對傳感器原理的學(xué)習(xí)起到進一步的促進作用。

以集成式溫度傳感器DS18B20為例進行應(yīng)用電路仿真設(shè)計與實驗，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單片機為核心控制器，實現(xiàn)對DS18B20溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)采集，并對采集后的數(shù)據(jù)進行分析和處理，處理完后將溫度值傳送到LCD顯示屏上顯示。此外，利用示波器對傳感器的輸出信號波形進行實時觀測，進一步強化了對該型號傳感器的認(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，而且初步掌握對各種傳感器的應(yīng)用，進一步強化了學(xué)生的動手設(shè)計和系統(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)核心課程的實踐教學(xué)中，以計算機虛擬仿真為核心，以項目驅(qū)動為主線，將Proteus虛擬仿真軟件應(yīng)用于課程教學(xué)，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時間和空間限制，讓學(xué)生隨時學(xué)、隨地學(xué)；減少了傳統(tǒng)實驗教學(xué)對學(xué)生動手設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用能力的限制，學(xué)生可根據(jù)設(shè)想進行任意構(gòu)建和設(shè)計，充分發(fā)揮想象力和綜合設(shè)計能力；大大減少了實驗平臺成本和后期維護成本，仿真設(shè)計過程中出現(xiàn)任何失誤，均只需重新設(shè)計即可，幾乎不需要成本投入；一套虛擬仿真平臺可應(yīng)用于多門物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的實踐教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)和使用的延續(xù)性強，平臺使用成本投入少。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。