基于proteus的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

任 杰 許紅玉 周 穎 楊镕濤

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 上海 200093）

生物醫(yī)學(xué)工程是理、工、醫(yī)相結(jié)合的新興邊緣學(xué)科，隨著人們對(duì)健康需求的提高，生物醫(yī)學(xué)工程得到了迅速發(fā)展。[1]微機(jī)原理課程是生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)，在生物醫(yī)學(xué)工程的專業(yè)建設(shè)和課程體系建設(shè)中占有非常重要的地位。

微機(jī)原理課程涵蓋了電子電路、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等課程的許多知識(shí)點(diǎn)，并涉及多種芯片，可以說(shuō)這門課程的知識(shí)點(diǎn)多，概念抽象，教學(xué)要求高。因此，微機(jī)原理課程往往需要配套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)增加學(xué)生對(duì)于課程知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的理解力和實(shí)踐動(dòng)手能力。[2]傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法多數(shù)是利用硬件實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成，這種模式實(shí)驗(yàn)過(guò)程單一，限制了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，而且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能很好地結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)。而利用proteus進(jìn)行微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)，可以突破實(shí)驗(yàn)箱固有實(shí)驗(yàn)的限制，增加實(shí)驗(yàn)的獨(dú)創(chuàng)性，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

一、基于Proteus的實(shí)驗(yàn)課程改革目的

Proteus軟件是英國(guó)Labcenterelectronic公司開發(fā)的一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具軟件，具有豐富的元件庫(kù)、圖表模式、虛擬儀器、仿真模型等資源，可以對(duì)電路進(jìn)行交互式仿真，可以完成對(duì)電路的設(shè)計(jì)、制版及仿真等一系列操作。[3]尤其是借助Proteus軟件中的仿真圖表、示波器等動(dòng)態(tài)虛擬分析器件，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)原理的抽象復(fù)雜工作原理、存儲(chǔ)機(jī)制、通訊過(guò)程等的展示。實(shí)驗(yàn)課程上也可借助Proteus軟件實(shí)現(xiàn)硬件和軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，增加實(shí)驗(yàn)的獨(dú)創(chuàng)性和專業(yè)性，加深學(xué)生對(duì)于微機(jī)原理中理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二、基于Proteus的實(shí)驗(yàn)課程改革仿真案例分析

作為傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)箱，芯片已經(jīng)固定，線路也已經(jīng)規(guī)劃好，所以實(shí)驗(yàn)箱的功能受到極大的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也比較固定，造成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和更新都受到一定限制。[4]而對(duì)于Proteus仿真軟件而言，為實(shí)驗(yàn)課程提供了大量的數(shù)模元件庫(kù)、各種的信號(hào)激勵(lì)源、豐富的虛擬儀器，而且電路搭建的自由性也極大地為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供了便利。同時(shí)，教師也可根據(jù)自身的專業(yè)特點(diǎn)和日常的項(xiàng)目特征設(shè)計(jì)更具有代表性和具有可操作性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠更好地認(rèn)識(shí)微機(jī)原理在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的作用。[5]

本實(shí)驗(yàn)案例就是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程的特點(diǎn)，以醫(yī)學(xué)領(lǐng)域暖箱設(shè)備為例，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)暖箱溫度報(bào)警系統(tǒng)，讓學(xué)生用Proteus完成硬件設(shè)計(jì)，EMU8086完成軟件設(shè)計(jì)，由8086、8255和DS18B20等芯片共同仿真調(diào)試完成，從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，從而對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計(jì)有一定的了解。

（一）總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)包括5個(gè)部分：控制部分、溫度傳感部分、顯示部分、報(bào)警部分、異常開關(guān)的部分。各部分相互關(guān)系如圖所示。

圖 硬件設(shè)計(jì)框圖

硬件的設(shè)計(jì)思路是用8086芯片為CPU設(shè)計(jì)一款溫度報(bào)警系統(tǒng)，控制部分主要由8086芯片、8255A接口芯片、74LS138譯碼器、74HC373鎖存器構(gòu)成，溫度信號(hào)由DS18B20獲取，經(jīng)過(guò)CPU的處理，顯示部分由數(shù)碼顯像管顯示。8255A的B口和C口的高四位接LED顯示屏，C口的低四位作為輸入接收異常開關(guān)的按鍵和溫度傳感器的數(shù)據(jù)線，把開關(guān)信息和溫度信息傳給CPU處理，處理的結(jié)果通過(guò)LED顯示管顯示，或者通過(guò)A口的輸出端引發(fā)報(bào)警。其軟件流程圖如下圖所示：

圖 軟件程序流程圖

（二）部分硬件設(shè)計(jì)

1.顯示部分

溫度顯示是本次設(shè)計(jì)重要的一部分，在嬰兒暖箱的設(shè)計(jì)中是必不可少的。溫度顯示的功能讓醫(yī)護(hù)人員可以時(shí)時(shí)了解暖箱溫度變化情況，從而做出相應(yīng)的調(diào)整，保證嬰兒處于舒適的環(huán)境中。本次設(shè)計(jì)采用的是四位共陰數(shù)碼顯示管，通過(guò)與8255的通訊，實(shí)時(shí)顯示暖箱溫度。如圖所示。

圖 數(shù)碼顯示管

2.溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

本案例中采用的溫度傳感器DS18B20是美國(guó)DALLAS公司研發(fā)出來(lái)的，可以用來(lái)獲取溫度。在其內(nèi)部有復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了包括溫度感知、溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)發(fā)送等諸多功能，其電路連接圖如下圖所示。

圖 DS18B20硬件圖

溫度傳感器DS18B20將其獲取的溫度值以數(shù)字信號(hào)的形式直接輸出，以“一線總線”串行方式送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。[6]

3.仿真結(jié)果分析

本案例中設(shè)定的正常溫度范圍是28℃～34℃，這個(gè)溫度范圍也符合早產(chǎn)兒或者危重嬰兒對(duì)于環(huán)境的溫度要求，當(dāng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到的十進(jìn)制溫度低于28℃或者高于34℃，蜂鳴器就會(huì)響起。如下圖所示，蜂鳴器由一個(gè)三極管作為開關(guān)，對(duì)于這個(gè)三極管這次選擇的是PNP型的。

圖 仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)最終仿真結(jié)果如上圖所示，左圖為暖箱測(cè)試溫度為26度，低于28度的設(shè)置，因此LED燈顯示為黃色，蜂鳴器也響起報(bào)警。右圖暖箱測(cè)試溫度為35度，高于最高溫度的設(shè)定，因此LED燈和蜂鳴器一起報(bào)警。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，可以看出在微機(jī)原理試驗(yàn)教學(xué)中引入Proteus軟件，以項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式使學(xué)生能在實(shí)踐中探索學(xué)習(xí)新知識(shí)，體驗(yàn)從概念到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程。因此，相比較傳統(tǒng)的試驗(yàn)箱教學(xué)方式，基于Proteus軟件的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與激情。Proteus軟件設(shè)計(jì)的直觀性也豐富了教學(xué)的方法，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具吸引力。同時(shí)，Proteus仿真實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)課程以外的空間和時(shí)間內(nèi)完成，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)部分的發(fā)展。