基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

葉果

摘 要：在分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的缺點(diǎn)后，闡述了為何需要構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并提出了基于Proteus軟件平臺(tái)的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的框架和構(gòu)建方案。通過(guò)單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量和效率，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及促進(jìn)學(xué)校教學(xué)的改革。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 ?Proteus ?單片機(jī) ?仿真實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：G482 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0231-02

目前，我國(guó)大多數(shù)的工科高職院校都開(kāi)展有單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)接口技術(shù)等實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)必修課，此類(lèi)課程的教學(xué)內(nèi)容包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩大環(huán)節(jié)。但是，由于此類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的需求量比較大，因而導(dǎo)致在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中面臨諸多困難。

虛擬仿真技術(shù)是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)為依托，以多媒體技術(shù)為手段，用一個(gè)虛擬的仿真系統(tǒng)來(lái)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)等多學(xué)科融合的結(jié)晶。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術(shù)，具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）采用虛擬仿真技術(shù)，不僅可以減少設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，還可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)用地，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的硬件成本，有利于緩解實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)緊張的壓力;（2）仿真實(shí)驗(yàn)的引入突破了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用，進(jìn)而有利于推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

1 基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室概念

所謂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室就是利用虛擬仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，利用相關(guān)仿真軟件學(xué)習(xí)電子電路、電路分析、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)等實(shí)踐課程，并可以開(kāi)展電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室。一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)（或一臺(tái)計(jì)算機(jī)）、一套電子仿真軟件，再加上一本虛擬實(shí)驗(yàn)教程，就可相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室。以虛代實(shí)、以軟代硬、虛實(shí)結(jié)合，即為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì)。

單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用Proteus仿真軟件和相應(yīng)的硬件平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)從虛擬到實(shí)際，從軟件到硬件，從概念到產(chǎn)品的全過(guò)程設(shè)計(jì)的多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它主要用于電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等[4]相關(guān)工作。

1.2 Protcues軟件平臺(tái)

Proteus是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的一款功能強(qiáng)大的EDA工具軟件。該軟件提供智能原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能以及模擬電路和數(shù)字電路與MCU器件混合仿真系統(tǒng)等功能。其不僅可以開(kāi)展傳統(tǒng)的模擬電子線路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的仿真工作，而且還可以仿真單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)。其適應(yīng)性強(qiáng)，支持面廣，不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的51系列、AVR、PIC等常用MCU，而且還提供了大量的電子元件庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)常用設(shè)備和元器件的硬件仿真。在編譯方面，Proteus還支持keil和MPLAB等多種編譯器。

1.3 單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)

圖1給出了基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)以建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上Proteus軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了整個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成原理圖設(shè)計(jì)、PCB布線以及單片機(jī)編程和系統(tǒng)仿真調(diào)試等一系列工作，實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，便于學(xué)生掌握電子系統(tǒng)或產(chǎn)品的這個(gè)開(kāi)發(fā)流程。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中，硬件部分大多采用市場(chǎng)上完善的實(shí)驗(yàn)電路板或?qū)嶒?yàn)箱，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一般不存在硬件部分的設(shè)計(jì)。因而，傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)基本上是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)流程可以歸納為“根據(jù)原理圖連線→下載代碼并調(diào)試→運(yùn)行并檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期”等3大步驟。此類(lèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室則可以進(jìn)行硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，所有軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)證都可以在仿真平臺(tái)上進(jìn)行，同時(shí)對(duì)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)修改十分簡(jiǎn)單便捷，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間的同時(shí)降低了開(kāi)發(fā)成本。于此同時(shí)，還可以利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，基于Proteus的單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2所示。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)效果

3.1 節(jié)約成本，緩解了實(shí)驗(yàn)室的硬件條件限制

隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)增加與實(shí)驗(yàn)室條件不足的矛盾日益突出，尤其是工科專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程多數(shù)具有實(shí)驗(yàn)儀器成本高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

3.2 實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)模式的改革

引入Proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，有利于理論與實(shí)踐的聯(lián)系，便于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)也改變了傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式。

3.3 增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力

學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源參與教師的教學(xué)和科研項(xiàng)目，并以課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方式完成課題中的部分任務(wù)。通過(guò)這些課題的訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，收到了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，不僅可以緩解實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的資金壓力、節(jié)約建設(shè)成本，更可以幫助學(xué)生更好的掌握理論教學(xué)知識(shí)，加深對(duì)概念、原理的理解。學(xué)生通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，引入Protcus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于具備工程實(shí)踐能力的應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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