基于Proteus的電子技術綜合設計虛擬實驗環境建設

袁小平, 李子旋, 陳 燁, 徐書杰, 金 鵬

(中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

虛擬仿真技術探索與實踐

基于Proteus的電子技術綜合設計虛擬實驗環境建設

袁小平, 李子旋, 陳 燁, 徐書杰, 金 鵬

(中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

以“電子技術綜合設計”課程為例,從實驗目標、實驗內容、實驗效果等方面介紹了Proteus 在電子技術綜合設計課程教學中的應用,指出在虛擬實驗環境應用中應該注意的問題。虛擬仿真實驗室不需要花費大量經費購置儀器設備,使用Proteus軟件進行電子技術綜合設計教學和實驗,可加深學生對電子電路、單片機、嵌入式系統等相關技術的理解,取得了較好的實驗教學效果。

Proteus； 電子技術綜合設計； 虛擬實驗室； 虛實結合

早在1999年,國內部分高校聯合起草了關于國家級電工電子實驗教學示范中心的建設標準,中國礦業大學是該建設標準起草單位之一。2000年,中國礦業大學面向本校電氣、信息和電子類專業的學生開設了“電子技術綜合設計”實踐課程。該課程需要綜合模擬電子技術、數字電子技術、數字系統設計、微機原理應用等多門課程的知識,是一門理論與實踐并重的課程。由于該課程涵蓋的一些基本理論和概念比較抽象(例如中小規模集成電路的基本原理),以至于初學者難于深入理解和掌握。為了能夠提高該課程的教學效果,在講解實際電路時,更應該注重實驗項目的設置。目前，國內外教育界廣泛流行的Proteus軟件包能夠提高電子產品的開發效率和開發周期,降低電子產品的開發風險和開發成本,在教學、科研和產品開發方面已經被普遍使用。本文以中國礦業大學“電子技術綜合設計”課程為例,從實驗目標、實驗內容、實驗效果等方面介紹了Proteus軟件在電子技術綜合設計虛擬實驗教學的環境建設。

1 基于Proteus的虛擬實驗環境

伴隨著微電子技術和計算機技術的快速發展,電子設計自動化(EDA)已成為電子設計與創新領域最常用的設計手段。EDA利用計算機仿真技術和計算機虛擬技術,使電子產品的原理圖設計、結構設計、制造、加工以及性能分析全部利用計算機完成。虛擬技術實際上是利用計算機輕松、快速、準確地完成電子電路的分析與設計的技術[1-3]。采用虛擬技術進行實驗教學有很多優勢,它既能解決實驗室中元器件的不足,也可以減少儀器和設備的損壞,還能擴展實驗室的實驗空間。在電子產品的設計中,計算機仿真是必不可少的環節。因此，有必要讓學生掌握專業設計EDA類軟件(包括Matlab、Proteus、Multisim等電路設計與仿真工具)、PCB設計軟件以及分析類軟件的使用方法。

為此,筆者將建設虛擬實驗環境作為一種能夠改進課堂教學和實驗實踐教學的手段，將其引入“電子技術綜合設計”的課程教學中來,并自1999年以來在自動化專業的教學中沿用。

所謂虛擬實驗環境,實際上就是按照實驗任務的具體要求和設計的原理,利用虛擬儀器模擬出與實際情況基本相同或相似的實驗系統,進而可在此系統上完成整個實驗。可以看出,選擇合理的支持仿真功能的EDA軟件是建設虛擬實驗環境的關鍵所在。英國Lab Center Electronics公司開發的EDA工具軟件Proteus是一款電路設計與實物仿真軟件,其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。它功能強大,兼備一般EDA工具的軟件仿真能力和單片機外圍器件的仿真能力,是目前比較流行的工具軟件。Proteus是現今唯一的能夠結合電路軟件仿真、PCB設計和虛擬仿真于一體的設計平臺,從硬件原理布圖、軟件代碼的調試到外圍電路的協同仿真,真正做到了從概念到產品的完整設計。通過將編譯過的目標代碼加載到原理圖中的MCU器件上,就可以實現在沒有實際電路的情況下進行軟硬件的聯合調試,非常適合以硬件為基礎的實踐教學課程。采用該軟件與Keil等集成開發工具共同搭建的虛擬實驗環境,已在電子技術綜合設計課程的教學中得到了廣泛的應用。

2 Proteus在電子技術綜合設計課程中的應用

2.1 課程實驗目標

在電子技術綜合設計實驗教學中,有大量的電路設計和作品制作的內容。為了讓學生掌握電子電路原型設計、測試分析的整個過程,設計了基于Proteus等軟件的電子電路設計EDA虛擬仿真實驗。Proteus虛擬仿真實驗系統是集綜合性、開放性和先進性及創新性于一體的實驗平臺[4-6]。實驗系統采用Proteus軟件平臺,用仿真的方法進行所有的實驗,并要求在實際的硬件平臺上驗證仿真結果。學生通過該實驗系統的仿真,既能了解實驗的技術細節,又可以通過實際硬件電路的實驗過程建立對實驗的感性認識。

2.2 課程實驗內容

“電子技術綜合設計”課程虛實結合的實驗內容，主要包括直流電機調速系統、低頻函數波形發生器、數字式電容分檔測量、LED漢字點陣顯示系統設計、數控直流電源、多功能數字電子表、數字溫度計、簡易頻率計、電子伏特表、交通燈控制系統、溫控萬年歷、可切換遙控溫控風扇、程控測量放大器等13項。以直流電機調速系統和低頻函數波形發生器為例說明如下。

(1) 直流電機調速系統。采用基于單片機的實驗系統,對直流電機調速系統進行原理設計和仿真實驗,采用光電對管實時在線檢測直流電機的轉速并采用PWM技術控制電機的轉速。要求學生在Proteus平臺上繪制電路圖,根據要求設置不同參數,然后通過Proteus軟件自帶的虛擬儀器設備仿真出實驗結果,并利用該軟件設計PCB板圖。最后在PCB板加工實驗室利用機械雕刻或者化學腐蝕的方法制做出PCB板(見圖1)。

(2) 低頻函數波形發生器。設計一個低頻函數波形發生器,使其能夠產生頻率為0.1 Hz～1 kHz的正弦波和三角波,并且能顯示出當前產生的波形的頻率。要求學生在Proteus平臺上繪制電路圖,根據要求設置不同參數,然后通過Proteus軟件自帶的虛擬儀器仿真出實驗結果,并制作PCB板圖。仿真結果和實物作品如圖2和圖3所示。

2.3 實驗效果

學生通過虛擬實驗教學系統的學習,以及原理圖設計、電路仿真、編程調試、系統仿真、PCB設計和實物作品制作實踐,受到從概念到產品設計全過程的訓練。開展實物實驗前,學生進行虛擬仿真實驗可以了解實驗的技術細節,以避免因為實際操作不當而損壞實驗設備,同時避免因不熟悉儀器設備的操作而浪費實驗時間。

3 應用虛擬實驗教學環境應注意的問題

3.1 加強虛實結合、互為補充

圖1 電機調速電路模擬仿真圖

圖2 低頻函數發生器設計與仿真圖

圖3 低頻函數發生器實物作品

Proteus虛擬實驗環境為電子綜合設計實驗提供了便利,使學生在沒有真實電路和儀器設備的情況下,也能夠通過虛擬仿真、參數模擬進行系統硬件的設計、軟件的開發與調試[7-12]。但是,虛擬仿真和實際的電路還是有許多不同之處。通常,在電路工作過程中表現出的一些電氣特征取決于多個因素,包括集成電路、分立元件、電路導線、運行環境等；而Proteus只是模仿這些特性,其外部的表現主要和所使用的仿真軟件、計算機運行性能等因素有關。所以即使在Proteus虛擬實驗環境下可以正常工作的電子電路也有其設計的不足之處,并不能保證在真實環境下正常運行。例如,電路在仿真運行中沒有考慮元件相關參數受溫度變化、電磁干擾的影響。初次進行電路設計的學生在判斷電路設計是否正確的時候,如果單純以Proteus的仿真結果作為標準,則可能出現認識上的偏差,從而誤導以后的設計。為此,在教學過程中,教師需要非常熟悉Proteus的功能與特性,了解Proteus虛擬仿真在哪些方面存在的不足,應要求學生通過硬件實物電路進行驗證,從而使得學生積累虛擬仿真的設計經驗。

3.2 能實不虛,杜絕以虛代實

建設和使用虛擬實驗教學環境時,應意識到學習與實驗過程的重要性。通過Proteus虛擬儀器設備和電路的動態展示功能,可以使比較抽象的課程理論知識變得生動、形象,實驗室里沒有的真實儀器設備在虛擬實驗教學環境中所見即所得,有利于激發學生的學習興趣,提高學生的電子設計實踐能力。但是,在實際的實驗教學的過程中,也會有一部分學生過于注重仿真演示效果,甚至將其作為判斷電子系統設計正確與否的唯一依據,從而進入過度重視虛擬仿真效果的誤區[13-15]。若僅把Proteus演示作為實驗的目標,會使學生缺乏對電路原理的理解。因此,在通過Proteus虛擬實驗環境進行教學的過程中,應該讓學生意識到Proteus只是一種電子系統綜合設計的工具,有助于理解電路設計原理、培養和拓展電子設計思路、提高電子設計創新能力；而電子系統設計是否正確,最終還是要依賴于實際電路的運行結果。

4 結語

將Proteus用于“電子技術綜合設計”課程實驗教學,通過設計開發多種基于EDA技術的典型設計案例,在實驗過程中充分發揮Proteus軟件的優勢。通過電路設計與仿真,虛實結合,可以讓學生設計出實際電子電路,極大地提高學生的電子設計能力和實踐創新設計的能力。

References)

[1] 周潤景,張麗娜.基于Proteus的電路及單片機系統設計與仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[2] 吳小花,吳先球.Proteus電路設計與仿真在教學中的實踐[J].計算機系統應用,2010(2):201-204.

[3] 楊增汪,陳斯,戴新宇.基于Proteus的電類綜合實驗系統的構建[J].中國現代教育裝備,2010(15):116-118.

[4] 王秀.基于Proteus的單片機仿真教學的研究[J].科技信息,2010(35):186-192.

[5] 劉敏.基于Proteus的ARM虛擬實驗室建設[J].中國教育信息化,2009(3):28-30.

[6] 鄧鵬.Proteus虛擬仿真在單片機實驗教學中的應用研究[J].現代電子技術,2012,35(16):27-29.

[7] 郭銳.嵌入式系統教學中若干教學方法研究與實踐[J].科技信息,2012(16):9.

[8] 賈莉娜,王燕,劉震.Proteus軟件在單片機實踐性教學環節中的應用[J].遼寧科技學院學報,2010,12(3):61-62.

[9] 袁小平.電子技術綜合設計教程[M].北京:機械工業出版社,2008.

[10] 袁小平.數字電子技術實驗教程[M].北京:機械工業出版社,2012.

[11] 匡載華,鄧小鵬.電子類學科專業Proteus實驗室的建設[J].實驗技術與管理,2009,26(1):155-158.

[12] 潘輝.Proteus虛擬實驗環境在單片機教學中的應用[J].計算機教育,2010(20):143-146.

[13] 田建偉,胡德安,陳益平,等.一種單片機虛擬實驗室的建立方法[J].現代電子技術,2009,32(14):176-179.

[14] 宋艷麗.虛擬仿真技術在單片機一體化教學中的應用[C]//2011無錫職教教師論壇論文集.2012:43-45.

[15] 劉心紅,郭福田,孫振興,等.Proteus仿真技術在單片機教學中的應用[J].實驗技術與管理,2007,24(3):96-98.

Construction on virtual experimental environment for comprehensive design of electronic technology based on Proteus

Yuan Xiaoping, Li Zixuan, Chen Ye, Xu Shujie, Jin Peng

(School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

By taking the Comprehensive Design of Electronic Technology course as an example, this paper introduces the application of Proteus to the Comprehensive Design of Electronic Technology course from the aspects of the experimental objectives, experimental content, experimental results, etc., and points out the problems that should be paid attention to in its application to the virtual experimental environment. The virtual simulation laboratory does not need to spend a lot of money on the acquisition of instruments and equipment, and the use of Proteus software for the teaching and experiment of the Comprehensive Design of Electronic Technology course can deepen the students’ understanding of electronic circuits, microcontrollers, the technology related to embedded systems, etc., so as to achieve the better experimental teaching effect.

Proteus; comprehensive design of electronic technology; virtual laboratory; virtual-real combination

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.025

2017-03-02

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015B132)；中國礦業大學教改項目(2016CG03)

袁小平(1966—),男,江蘇揚州,博士,教授,國家級電工電子實驗教學示范中心主任,主要研究方向為電子系統設計、物聯網技術、智能儀表與故障診斷.E-mail：xpyuankd@163.com

TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0104-03