Proteus在電子信息類(lèi)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究

王 凡

（首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100048）

畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等學(xué)校教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)之一，是一種綜合性的實(shí)踐教學(xué)手段。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)能使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)和技能，進(jìn)行全面、系統(tǒng)、嚴(yán)格的技術(shù)及基本能力的訓(xùn)練［1］。電子信息類(lèi)高校畢業(yè)生的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備電子技術(shù)和信息系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)，能從事各類(lèi)電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的高等工程技術(shù)人才。因此對(duì)于此類(lèi)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求更應(yīng)該體現(xiàn)出綜合性和實(shí)踐性相結(jié)合的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的電子信息類(lèi)畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在著若干問(wèn)題，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入Proteus仿真軟件為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了良好的渠道。

1 傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的若干問(wèn)題

（1）在電子設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生只能得到一些基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，且課時(shí)較短，設(shè)計(jì)內(nèi)容也較簡(jiǎn)單；由于條件的限制，每個(gè)題目一般由2個(gè)以上學(xué)生共同完成，缺乏獨(dú)立設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)整個(gè)工程的把握。

（2）在電路實(shí)驗(yàn)中常常由于元器件質(zhì)量的好壞或性能的離散、連線的通斷或焊接的虛實(shí)等，而難于找到問(wèn)題的所在［2］；另外，在電路搭建過(guò)程中容易造成儀器和元器件的損壞，學(xué)生要反復(fù)地購(gòu)置新的元器件，既造成成本的增加又浪費(fèi)時(shí)間和精力；在軟件的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)過(guò)程中，由于看不到最終的演示結(jié)果，學(xué)生也很難有的放矢地修改和編輯程序；由于設(shè)計(jì)中既存在硬件設(shè)計(jì)又有軟件編程，所以在綜合調(diào)試中如果遇到障礙，學(xué)生難以判斷問(wèn)題出自硬件還是軟件。

（3）在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，指導(dǎo)教師是影響畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要因素，由于近些年來(lái)學(xué)校擴(kuò)招等原因，導(dǎo)致指導(dǎo)教師與學(xué)生人數(shù)比例嚴(yán)重失調(diào)，指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生的數(shù)量不斷增加。同時(shí)，教師一般都有繁重的科研及教學(xué)任務(wù)，在指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)很難投入較大精力，使得指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量不高［3］。

2 Proteus在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 Proteus軟件介紹

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electironics公司的EDA工具軟件，其中組合了一款可實(shí)現(xiàn)高級(jí)原理布圖與仿真工具ISIS，以及一款高級(jí)的布線編輯軟件ARES，從而可以實(shí)現(xiàn)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其最大的優(yōu)勢(shì)在于它具有系統(tǒng)級(jí)仿真器VSM技術(shù)，可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同周邊電子器件一起實(shí)施互動(dòng)式仿真，支持的微處理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM 7／LPC2000系列以及Z80等，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程。

Proteus提供了30多種元件庫(kù)，共8 000多種元器件模型。Proteus還提供了多種虛擬儀器、儀表。如：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、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表等。

2.2 Proteus在畢業(yè)設(shè)計(jì)中所展示的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 減少了畢業(yè)設(shè)計(jì)中的盲目性

針對(duì)上述畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，Proteus提供了很好的輔助解決手段。學(xué)生在設(shè)計(jì)電路前，可以用Proteus先設(shè)計(jì)出原理圖，并在仿真成功后，再進(jìn)行實(shí)際硬件的設(shè)計(jì)、元件的選購(gòu)、焊接、軟硬件的聯(lián)調(diào)等。這樣可以盡可能地避免由于前期設(shè)計(jì)不當(dāng)帶來(lái)的元器件和儀器的損壞，減少了元器件費(fèi)用的支出和時(shí)間上的浪費(fèi)。

2.2.2 增強(qiáng)了學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中解決問(wèn)題的信心

在實(shí)際電路搭建中，由于學(xué)生缺乏經(jīng)驗(yàn)，即使在完成簡(jiǎn)單的單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，一旦遇到問(wèn)題，就會(huì)對(duì)自己的設(shè)計(jì)產(chǎn)生懷疑，使得畢業(yè)設(shè)計(jì)難以向下進(jìn)行。利用Proteus具有的仿真功能可以暫時(shí)拋開(kāi)實(shí)際電路，Proteus與Keil的聯(lián)合仿真，縮減了調(diào)試程序的工作量，只要原理圖和編程正確，系統(tǒng)就可以調(diào)試成功，學(xué)生在看到仿真結(jié)果后，會(huì)大大增強(qiáng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)實(shí)際電路的信心［4－5］。

2.2.3 起到了指導(dǎo)教師和學(xué)生溝通的橋梁作用

Proteus最大的特色是其電路仿真的交互化和可視化，不但能仿真微控制器本身，還能對(duì)其外圍電路進(jìn)行仿真。原理圖一目了然，指導(dǎo)教師可以在工程建設(shè)的層面和學(xué)生探討整體設(shè)計(jì)問(wèn)題，而不再受具體電路和程序語(yǔ)句的制約。另外，Proteus中提供了大量的儀器、儀表，能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析，使指導(dǎo)教師和學(xué)生的溝通變得流暢。

2.3 Proteus在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例是基于C51單片機(jī)的LCD液晶顯示屏控制的電子類(lèi)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)基于C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)年歷、電子時(shí)鐘、溫度計(jì)等功能，以及在LCD上的顯示方式的控制，從而達(dá)到學(xué)習(xí)單片機(jī)、LCD等軟硬件應(yīng)用的目的。實(shí)際硬件系統(tǒng)由主控制器AT89C52、時(shí)鐘電路DS1302、顯示電路、按鍵電路和復(fù)位電路等部分構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。

圖1 電路總體框圖

在設(shè)計(jì)之初采用Proteus進(jìn)行電路的整體設(shè)計(jì)和仿真，在電路設(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)出引入Proteus的優(yōu)勢(shì)，主要目的是研究和學(xué)習(xí)LCD的顯示與控制。如圖像的顯示和屏幕的滾動(dòng)顯示等。因此學(xué)生既要熟練掌握C51單片機(jī)的工作原理，又要搞清LCD是如何工作的，在常規(guī)教材與課程中，由于沒(méi)有對(duì)于LCD的詳細(xì)介紹，使得學(xué)生對(duì)LCD的使用比較陌生，都靠自學(xué)來(lái)掌握LCD的工作原理。

本設(shè)計(jì)中LCD使用的是128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊，成本較高，需要的接口線多，控制復(fù)雜，而且比較容易損壞，如果直接在面包板上搭建電路或在實(shí)驗(yàn)板上直接焊接，由于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)不足，很難在短期內(nèi)調(diào)試成功。12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊（LCD）是由128V12515061164個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128列×64行的陣列，要顯示某個(gè)圖形或漢字就要將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫(xiě)入到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，因此要搞清顯示點(diǎn)在液晶屏上的位置（行和列）及其在存儲(chǔ)器中的地址之間的關(guān)系。在Proteus中提供了50多種LCD器件，本電路使用的是LGM12641BS1R，它是以KS0108作為控制器的無(wú)字庫(kù)12864點(diǎn)陣液晶LCD，要顯示字符或圖形就要借助于字模工具軟件，并對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置［6］，通過(guò)Proteus與Keil的聯(lián)合仿真，可以得到和實(shí)物器件完全一致的仿真效果，還可以實(shí)時(shí)顯示引腳電平，通過(guò)觀察及時(shí)調(diào)整電路和編譯程序。

在仿真中使用的是和實(shí)際型號(hào)相同的單片機(jī)AT89C52，由于仿真運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率是以單片機(jī)屬性設(shè)置的頻率為準(zhǔn)，所以在Proteus ISIS界面設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，可以略去單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，使得界面變得更加簡(jiǎn)單、明了。P1口負(fù)責(zé)對(duì)LCD的控制，P2口負(fù)責(zé)對(duì)時(shí)鐘芯片DS1302和溫度傳感器DS18B20的控制，P3口用3只發(fā)光二極管顯示對(duì)溫度的控制狀態(tài)，4個(gè)按鍵用于溫控和時(shí)間的調(diào)整。軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)源程 序，并進(jìn)行編譯、調(diào)試［7－10］。硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)輔助工具Proteus很適合應(yīng)用于電子類(lèi)專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)。Keil和Proteus的聯(lián)合編程，更是在含有微控制器中彰顯了其全面、直觀、高效的優(yōu)異特性。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)和運(yùn)用了Proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真調(diào)試，進(jìn)行了制版、做原理樣機(jī)、硬件調(diào)試。這個(gè)過(guò)程符合目前單片機(jī)工程師實(shí)際的開(kāi)發(fā)流程，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也起到了師生相互交流的橋梁作用。作為一個(gè)輔助性工具，Proteus不可能解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中所有實(shí)際遇到的問(wèn)題，如電路中高頻信號(hào)的處理問(wèn)題，且并非所有的器件型號(hào)都能在Proteus原件庫(kù)中找到，Proteus本身還存在一些缺陷。教師要引導(dǎo)學(xué)生把握好軟件仿真和實(shí)際電路之間的關(guān)系，使得Proteus在畢業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮很好的作用。

（

）

［1］宋永增.機(jī)電類(lèi)畢業(yè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析及對(duì)策研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2009（4）：105－108.

［2］喬建華，李臨生，田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：70－73.

［3］田維.本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及建議［J］.中國(guó)電力教育，2012，（25）：104－107.

［4］袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：75－78.

［5］曾燕，賈振國(guó).Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011，12（1）：132－134.

［6］吳凌燕，王守全，郭偉波.基于Proteus的LCD顯示研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（10）：208－210.

［7］朱清慧，張鳳蕊，翟天蒿，等.Proteus教程：電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［8］劉心紅，郭福田，孫振興，等.Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（3）：97－98.

［9］張婧武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［10］周潤(rùn)經(jīng)，張麗娜.基于Proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版杜，2006.