Proteus仿真在物聯網專業硬件課程中的應用

王闖

摘 要：結合物聯網專業硬件方向系列課程教學現狀及Proteus仿真軟件的特點，從數字電子技術、模擬電、單片機原理及應用等系列課程教學方法和教學手段的改革出發，介紹了Proteus仿真在這些理論課和實踐教學中的應用。實踐證明在物聯網專業的硬件類課程的教學中，建立基于Proteus的仿真系統，可以改善實踐教學效果，節省實驗費用，降低實驗設備的損耗，能夠使學生更好地理解該門課的內涵，并且Proteus仿真很好地促進了這些課程的教學改革，具有很高的推廣價值。

關鍵詞：物聯網；虛擬硬件實驗環境；單片機；Proteus仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文獻編號：2095-1302（2014）10-00-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things）是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。物聯網工程是一門覆蓋范圍很廣的綜合性交叉學科，涉及計算機科學與技術、電子科學與技術、自動化、通信工程、信息安全等諸多學科領域，有著廣闊的應用前景。它改變了人類之前物理基礎設施和IT基礎設施截然分開的傳統思維，將具有自我標識、感知和智能的物理實體基于通信技術有效連接在一起，使得管理、生產制造、個人生活實現互聯互通，被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮[1]。

隨著物聯網在社會各個行業的快速發展，它已經進入到了各種應用領域。因此物聯網專業技術人才的培養在高校的人才培養中日益提上了日程，隨著“十二五”規劃中將物聯網列為國家戰略性新興產業，物聯網專業的建設面臨著長足發展的良好機遇。物聯網專業作為一個實踐性很強的專業，它的建設一貫遵循理論與實踐相結合的方針，注重對學生的理論知識和動手能力的雙重培養。

物聯網工程作為一門新的專業，關于它的課程體系、培養模式和教學方法的研究得到了各個高校的普遍重視[2]。本文基于物聯網專業人才培養發展的新需求，以硬件類課程為依托，引入Proteus虛擬仿真平臺，提出面向工程應用的培養方案，形成了理論內容與實驗仿真相結合，課內實驗與開放性實驗室相結合，系列課程全程貫穿實際工程應用的聯合教學模式。

1 物聯網專業硬件系列課程的培養模式

物聯網專業的課程整體上可分為硬件類課程和軟件類課程，其中硬件類課程是基礎，軟件類課程是靈魂。硬件類課程是物聯網專業課程設置中的重要的基礎部分，也是后續其他其它課程學習的基礎。目前在各高校和硬件類相關課程主要有《電路》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《微機原理與接口技術》、《單片機原理及應用》以及《嵌入式系統的設計與用》等課程。這些硬件類課程具有抽象性高、理解難度大等特點。傳統的授課過程中教師多采用黑板板書同時多媒體課件輔助的形式，這種教學手段講授的內容比較抽象，但是若在授課過程中將實驗室器材搬到教室中又很不方便，學生普遍反映學習效果不好。這種教學方式存在理論講授與實踐演示相脫節的弊端，難于通過實驗操作向學生展示理論知識的直觀應用效果，因此往往造成知識講授枯燥無味、學生學習興趣不高、教學效果不佳等問題。

隨著計算機仿真技術的快速發展，對教學的現代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物聯網專業硬件類課程的教學中，完全有條件把教學和實驗內容利用計算機仿真軟件先進行仿真、模擬調試后再用硬件實現，同時在課堂上將元器件的工作特性通過仿真軟件實時展現出來。所以通過在教學中把EDA電路設計軟件引進教學和實驗中，教學過程中教師使用仿真軟件展示元器件的工作特性，課下學生再通過仿真軟件上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測量直至印制電路板的自動設計[3]，這種方法集教學、學習、設計、創新于一體，拓展了教學和實驗的深度和廣度，同時提高了學生學習新知識的興趣，將會取得很好的效果。

2 基于Proteus的虛擬仿真平臺

2.1 平臺軟件Proteus介紹

Proteus ISIS是英國Labcenter Electronics公司開發的電路分析與實物仿真軟件，可以仿真分析各種模擬器件和集成電路[4]。它的主要功能包括：

（1）實現了單片機仿真和SPICE電路仿真的結合。它具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路仿真，RS 232接口的動態仿真、I2C調試器仿真、SPI調試器仿真、鍵盤和LCD仿真等功能；有多種虛擬儀器可供仿真調試使用，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。

（2）支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有8051系列、68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列、ARM系列以及各種外圍芯片。

（3）提供軟件調試功能。在系統仿真時該軟件具有全速、單步、設置斷點等調試功能，可以觀察各個變量、寄存器、內部RAM的當前狀態，同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51軟件。

（4）具有強大的原理圖繪制功能。利用軟件提供的元器件庫可繪制模擬電路、數字電路、模擬與數字混合電路、單片機應用電路。它涵蓋了電工電子實驗室、電子技術實驗室、數字邏輯實驗室、計算機組成原理實驗室、接口技術實驗室、單片機應用實驗室等的大部分功能。

使用Proteus軟件來構建虛擬的教學和實驗平臺，可以有效解決教學中存在的理論講授與實踐演示相脫節的弊端。教師在課堂通過使用Proteus仿真課本上的理論內容，以生動形象的仿真效果形式來提高學生的學習興趣，引導學生在課下使用仿真軟件自我學習其他相關內容，自行設計實驗項目，嘗試自我解決學習過程的各種疑難問題，更加扎實地掌握硬件類專業課內容。

結合Proteus虛擬實驗平臺的高效率和較好互動性，本文分別以Proteus在數字電子技術、模擬電子技術、單片機原理中的具體應用為例，展示Proteus在這些硬件類課程中的具體使用方法。