基于Proteus和Arduino的嵌入式系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)*

肖 亮，李蘭英，劉書赫，汪明曌，單黎瀟

（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

嵌入式系統(tǒng)硬件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以滿足新冠肺炎疫情期間線上實(shí)踐教學(xué)的需求，也可滿足在沒有硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的條件下，嵌入式技術(shù)的自主學(xué)習(xí)。因此，開展嵌入式硬件虛擬仿真技術(shù)研究，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)的意義是不言而喻的。

本文基于英國Lab Center Electronics公司的EDA工具軟件Proteus，通過二次開發(fā)，首先完成嵌入式系統(tǒng)多種常用外設(shè)模塊的仿真模型設(shè)計(jì)，并將其集成到Proteus的元件庫中。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)滿足基于Arduino的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)（踐）虛擬仿真平臺(tái)，并基于該平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)例程和系統(tǒng)案例，以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件技術(shù)的線上教學(xué)、培訓(xùn)和無真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)的需求，同時(shí)還可降低嵌入式人才培養(yǎng)的門檻。

基于Arduino的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，源于嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)越來越趨向于模塊化，即在核心板或最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外擴(kuò)包括各種傳感器、人機(jī)交互、輸入輸出設(shè)備等多種模塊。選擇Arduino板作為核心控制器，就是由于開源創(chuàng)客平臺(tái)Arduino屏蔽了硬件的復(fù)雜性，具有平臺(tái)資源豐富、成本低、支持的模塊眾多、開發(fā)簡單、上手快等優(yōu)勢[1]。

Proteus軟件雖然功能強(qiáng)大，但Proteus的電路計(jì)算并不是十分的精確，只能進(jìn)行粗略的計(jì)算[2]，元件庫的更新狀況存在落后的情況，很多器件都沒有同步更新，故在實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常需要手動(dòng)搭載所需器件，并且對于初學(xué)者來說難度更大，而在搭建不同嵌入式系統(tǒng)時(shí)，需要多種外設(shè)模塊，故需要包括對常用外設(shè)模塊進(jìn)行抽象、封裝、擴(kuò)充元件庫等二次開發(fā)，才能滿足嵌入式技術(shù)的虛擬仿真學(xué)習(xí)需求。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本文以最常用的Arduino Mega 2560板最小系統(tǒng)為核心，結(jié)合Proteus提供的器件庫中封裝的多種元器件和自主設(shè)計(jì)的仿真電路模塊，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體包括直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)，按鍵、顯示器、溫濕度傳感器、超聲測距電路、三色燈、蜂鳴器、光敏電阻和電位器等電路。

基于該平臺(tái)可開設(shè)多種類型的實(shí)驗(yàn)，只需連接實(shí)驗(yàn)所需相應(yīng)的模塊或電路即可。目前已完成的實(shí)驗(yàn)包括以下幾類：

（1）人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)。包括按鍵、鍵盤輸入、液晶顯示、八段數(shù)碼管顯示等實(shí)驗(yàn)，可完成參數(shù)輸入、數(shù)字、字符顯示等功能。

（2）電機(jī)實(shí)驗(yàn)。包括直流電機(jī)控制與測速實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、舵機(jī)控制實(shí)驗(yàn)等。

（3）呼吸燈。可實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)三色燈的漸變呼吸控制，可模擬景觀燈的控制場景。

（4）光強(qiáng)檢測。通過光敏電阻APDS-9002可對光強(qiáng)進(jìn)行測量，可模擬實(shí)現(xiàn)窗簾自動(dòng)控制等智能家居應(yīng)用場景。

（5）溫濕度檢測。通過元件庫中封裝好的溫濕度傳感器DHT11，可實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境溫濕度的檢測與顯示。

（6）倒車?yán)走_(dá)。利用自主設(shè)計(jì)的超聲測距仿真模塊，模擬超聲測距模塊SR04的功能，實(shí)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)的模擬應(yīng)用系統(tǒng)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體布局如圖1所示。本節(jié)給出了所設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)原理圖。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體布局

2.1 顯示電路

顯示電路包括液晶和數(shù)碼管兩部分，為了盡可能節(jié)省2560的引腳資源，液晶顯示電路以器件LM061L為核心，結(jié)合74164串轉(zhuǎn)并器件及與門、非門等門電路，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)串行接口的液晶顯示器。所需占用的Arduino數(shù)字接口由10個(gè)降到3個(gè)，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 液晶顯示電路原理圖

2.2 按鍵電路

按鍵電路有兩種類型，電路如圖3所示。右邊是簡單的4個(gè)按鍵原理圖，占用了Arduino的4個(gè)數(shù)字接口；左邊是一個(gè)4*4的矩陣鍵盤；共占用Arduino的8個(gè)數(shù)字接口。

圖3 按鍵電路原理圖

2.3 超聲測距電路

SR04是目前常用的超聲測距模塊，廣泛應(yīng)用于需要測距的多種領(lǐng)域[3]。由于元件庫中沒有封裝好的SR04模塊，圖4的電路采用555定時(shí)器、LM358運(yùn)放、MPS6531三極管和RV2電位器等模擬實(shí)現(xiàn)了SR04的工作原理，其中IO2模擬SR04的TRIG引腳，IO3模擬ECHO引腳。

圖4 超聲測距電路原理圖

2.4 電機(jī)電路

圖5給出了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、蜂鳴器及驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路原理圖

其他電路包括DHT11、光敏電阻、三色燈、電位器、舵機(jī)等，可直接調(diào)用元件庫中的器件。

3 結(jié)束語

新冠肺炎疫情期間的教學(xué)實(shí)踐表明：基于Proteus和Arduino的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，圓滿地支撐了嵌入式課程硬件相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果。同時(shí)也解決了學(xué)生沒有硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，自主學(xué)習(xí)硬件接口技術(shù)的難題，降低了嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)門檻。另外也由于Proteus平臺(tái)的引入，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果可直接演示，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀、形象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。