基于Protues在“嵌入式”教學改革中的應用

甘輝 呂美妮 王奎奎

摘要：針對傳統《嵌入式系統及應用》課程教學中存在的問題，提出了通過仿真演示、工程實驗設計驅動教學的新方法，運用Protues 仿真軟件輔助教學激發學生的學習積極性，并以“基于STM32內部雙通道模數轉換及顯示”為例，設計基于Protues的雙通道ADC采集顯示系統，教學結果顯示，方法有效地鍛煉了學生應用開發能力，提高了教學效果。

關鍵詞：Protues;嵌入式;教學改革

中圖分類號：TP311 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0007-02

《嵌入式系統及應用》是電子信息工程、通信工程、光信息科學等專業的一門專業選修課程。如今，科技快速發展，嵌入式芯片迭代快速，嵌入式開發方法多種多樣，使得教學內容更加復雜。在教學過程中存在教師授課內容抽象，學生難以理解的現象，從而導致《嵌入式系統及應用》課程教學無法達到滿意的效果。針對該課程實踐性很強的特點，本文提出在《嵌入式系統及應用》課程中引入Protues 仿真軟件，充分發揮其靈活性，強有力的輔助課程教學，提高課程教學質量。

1 傳統“嵌入式”課程教學中存在的問題

1.1 教學內容抽象

現階段，《嵌入式系統及應用》課程教學，基本上是以理論教學為主，結合部分課程實驗為輔助的教學方案。教師在理論教學時，先講解嵌入式硬件組成原理，再結合一些實例講解。由于學生對嵌入式系統組成缺乏宏觀認識[1]，導致在聽課過程中，對該內容一知半解，只能被動記憶，故感覺枯燥乏味，喪失學習激情，最終導致課程教學效果無法達到預期目標。

1.2 受地點和設備限制，缺乏實踐能力

現階段，實驗課需要在實驗室采用專用的試驗箱方能開展實驗。由于現有試驗箱，采用高度集成的模塊化設計[2]，所以完成實驗只需按照配套的實驗指導書完成以下幾步流程：新建工程、輸入程序、編譯工程、連接模塊之間的導線、下載編譯文件到實驗設備里面，就會得到實驗現象了。這類試驗箱，電路固定，大部分電路都封裝在面板下面，學生在似懂非懂的情況下完成實驗，但對所做實驗整體框架的組成以及電路原理無法深入了解。顯然這類驗證性實驗，導致學生在實驗過程中缺乏獨立思考和實踐動手能力，無法培養學生電路設計能力和創新能力。

2 基于Protues仿真軟件在“嵌入式”課程教學改革中的應用

Protues仿真軟件自帶了30幾個常用的仿真元件庫和各類常用仿真電子儀器、儀表，能夠滿足各類模擬、數字仿真實驗[3]。《嵌入式系統及應用》課程基于目前市場上最暢銷的ST公司系列的芯片開展的教學計劃。在新發布的Protues8.9軟件版本中，添加了內核M3、M4系列的ST公司芯片，給予廣大電子愛好者基于嵌入式系統電路設計開發帶來了方便。

2.1 靈活教學、激發熱情、提高能力

Proues軟件系統仿真具有很強的靈活性。在理論課授課過程中，教師可以根據課程內容搭建嵌入式系統小電路，采用LED燈、數碼管等虛擬顯示元件模塊，再加上部分虛擬信號發生器、示波器作輔助[4]，通過演示現象，講解系統原理，使得枯燥乏味的理論課變得形象生動，加強學生對嵌入式系統工作原理的感性認識，從而激發對嵌入式系統開發的學習激情。在實驗課實施過程中，可以將班級同學分成3個人一小組，每一組分配不同的實驗內容，各組根據實驗內容自行設計系統電路，搭建仿真系統，編程實現實驗要求。如此，在課后學生可以根據理論課學到的知識自主搭建電路，練習編程，打破了實驗必須要在實驗室且依賴試驗箱的限制。Protues仿真軟件的輔助，利于教師好講課、講好課，使得學生聽懂課、愛聽課，進一步提高學生自主學習能力，實踐操作能力。

2.2 構建虛擬實驗系統

使用Proues軟件搭建嵌入式仿真系統，采用Keil軟件編寫嵌入式功能代碼，通過相關配置使得兩個軟件相互關聯[5]。在Keil編寫好的工程，采用單步調試、斷點調試、全速運行等調試方法，同步在Protues軟件的嵌入式系統上產生相應的變化，使得嵌入式系統從代碼到系統各個部分的運行清晰透明，使得學生了解每一步運行的變化，加深對嵌入式系統組成原理及運行機制的理解。

3 教學實例

3.1 “模數轉換顯示”實例

本文以“基于STM32內部雙通道模數轉換及顯示”為例，設計基于Protues的雙通道ADC采集顯示系統。首先根據需求分析，設計方案，系統組成框圖如圖1所示。

系統電路設計：根據系統組成框圖，調用Protues中的元件組成仿真系統，如圖2所示。使用到的資源有：LCD1602顯示器、10k的滑動電阻、STM32F103R6芯片、直流電壓表。系統將VCC、AVCC設置為3.3v，GND，AGND設置為0v。LCD1602顯示器R/W引腳接地，默認為只寫模式。

系統軟件設計：參考STM32F103R6手冊資料。軟件編程分成以下幾個步驟第一步：配置STM32相關外設時鐘，本系統使用到的芯片外設資源有，GPIO，ADC。第二步：初始化外設，LCD1602數據引腳和控制引腳配置為推挽輸出，LCD1602配置為兩行顯示、關光標、無閃爍、光標右移。模擬轉換器ADC引腳PA1、PA2引腳配置為模擬輸入，功能設置為：12位轉換精度、數據靠右、雙通道軟件觸發。第三步：軟件觸發ADC轉換。第四步：等待模數轉換完成標志位為1。第五步，清除轉換完成標志位，讀取轉換完成數據，根據公式1計算獲取實際模擬輸入電壓。第六步：將采集到的量化電壓數據、計算后的模擬電壓數據在LCD1602上顯示。

系統轉換原理：模數轉換采用以下公式1進行轉換。其中Vin 為模擬輸入電壓，DADC 為量化后的數字電壓，Vref為芯片模擬轉換基準電壓3.3v，因為STM32F103系列芯片內部自帶ADC精度為12位，則2^12 =4096，所以數字轉換電壓范圍為0-4095。

Vin = （DADC * Vref） / 4096 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

系統雙通道采集配置了通道1（PA1）、通道2（PA2） 引腳為模擬信號輸入端口，通過調節滑動變阻器RV1、RV2上電阻的大小，改變輸入兩個通道的電壓值，每個通道分別放置了一個虛擬電壓表，實時測量輸入信號電壓值，通過STM32程序轉換，在LCD1602上顯示CH1以及CH2的電壓信息。具體模擬信號采集量化結果，如表格1所示。

系統轉換結果：實驗可得，實際輸入電壓和芯片轉換顯示在LCD1602上的電壓一致，說明系統仿真以及程序邏輯滿足設計需求。整個系統從輸入到輸出，結構清晰，模擬信號轉換結果一目了然，使學生通俗易懂、印象深刻。

3.2 實驗拓展

由于STM32f103系列內部自帶3個ADC，每個ADC最多有16個外部通道，所以給實驗設計帶來了多樣化結合Protues仿真軟件的靈活性，可以拓展出很多貼合實際應用的實驗，如表2所示。通過貼合實際應用的實驗設計，激發學生思考如何用所學知識解決實際生活問題。真正的做到學有所用，進一步發揮學生的實踐動手能力，以及創新思維。

4 結束語

實踐證明，在《嵌入式系統及應用》課程中采用Protues軟件輔助教學，使得軟件編程和硬件系統仿真緊密聯系在一起，靈活操作性很強，在時間、空間上打破了傳統實驗室試驗箱固定模式的束縛，結合生活實際設計多元化實驗內容，充分激發了學生獨立思考、自主設計的能力。有效地提高了課程教學效率和質量。

參考文獻：

[1] 邱剛.Protues仿真軟件在單片機教學中的應用[J].電子元器件與信息技術，2021，5（4）：165-167.

[2] 丁莉，何波，丁有軍，等.Proteus仿真軟件在單片機教學中的應用[J].教育教學論壇，2019（45）：256-257.

[3] 鄭三婷.淺談Proteus仿真軟件在單片機教學和電路設計中的應用[J].電子測試，2019（10）：139-140.

[4] 王爾申，龐濤，李鵬，等.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理，2013，30（3）：78-81.

[5] 孫鵬，姜艷紅，崔承毅，等.Proteus仿真軟件在“實用單片機技術與實踐”課程中的教學實踐與探索[J].工業和信息化教育，2018（1）：65-68，73.

【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-05-12

基金項目：國家新工科研究與實踐項目（E-DZYQ20201426）;2021年度廣西高等教育本科教學改革工程項目（2021JGA328）;梧州學院校級教育教學改革工程立項項目（Wyjg2019B012、Wyjg2019A087）

作者簡介：甘輝（1988—），男，廣西南寧人，工程師，碩士，研究方向為信息處理及機器智能;通信作者：呂美妮（1991—），女，廣西貴港人，助教，碩士，研究方向為數字圖像處理。