軟硬件協同仿真在電工電子實習中的應用

張倩 陳新兵

摘要：介紹了一個基于proteus和arduino的軟硬件協同仿真的電工電子實習教學項目。該項目可以幫助學生熟悉軟硬件協同仿真的基本流程，同時也有助于實現實踐課程的線上教學。

關鍵詞：軟硬件協同仿真;proteus;arduino

智能小車的開發，包括硬件設計與軟件編程。通過電工電子實習中智能小車項目的學習，可以使學生掌握使用主流開發軟件，熟悉軟硬件協同仿真的基本流程，掌握智能設備的調試方法，形成軟硬件一體化設計的系統觀，從而提升創意轉化為作品的工程能力。

一、實習目的

1、了解Proteus軟件的基本功能;

2、掌握硬件電路的仿真設計;

3、熟悉Proteus虛擬儀器的使用;

4、完成Arduino編程與協同仿真;

5、了解智能設備的基本調試方法。

二、實習所用軟硬件工具

1、Proteus是英國Lab Center Electronics公司開發的EDA工具軟件，不僅具有其它EDA工具軟件的仿 真功能，還能仿真各類控制核心及其外圍器件，是理想的軟硬件協同開發平臺，廣泛應用于工程實踐與課外創新。

2、Arduino是最簡單好用的的開源單片機平臺，強大的資源庫，可以快速實現創意。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。Arduino Nano是基于ATmega328芯片的迷你Arduino開發板。

三、智能車主板控制原理

實習車轉向控制采用兩輪差速方式，左轉時左側電機停轉，右側電機前進，

右轉時情況則相反，電子控制系統如上圖。整個系統由光敏傳感器、微控制器、電機執行器三個環節構成，本次實習先仿真外圍電路，再熟悉控制核心編程，最后完成協同仿真。

四、實習步驟

1、外圍電路仿真

小車行于跑道，靠傳感器Vi檢測路面信息，控制器U1進行數據處理與分類決策，LED指示工作狀態。遇到白色時，傳感器Vi輸出低電平0，控制器U1A進行比較運算后，輸出信號0，開啟三極管Q1，電機得電轉動;遇黑線時，傳感器Vi輸出高電平1，U1A進行比較運算后，輸出信號1，關斷三極管Q1，導致電機斷電停轉。

電路中，以脈沖源模擬紅外傳感器輸出信號變化;以PNP代替實際的8550三極管，控制電機的通電斷電。采用比較器U1A作為控制器，通過電位器RW1，調節比較器參考值。

2、Arduino Nano仿真

（1）在proteus中建立Arduino Nano仿真工程

（2）arduino編程

首先，變量初始化，包含啟停按鍵，左右傳感器，左右電機驅動以及傳感線陣，跑車狀態;然后硬件初始化，包括按鍵-傳感輸入，LED輸出，電機驅動輸出和電機驅動輸出初態;最后是主程序，按鍵按下時，切換啟停標志，當GoState為High時，進入跑車狀態。循跡控制算法，采用有限狀態機框架，用Switch語句實現，以傳感器狀態做為觸發條件。

3、軟硬件協同仿真

將之前畫好的左路外圍電路，復制進Nano仿真工程，脈沖源輸入換成SPDT開關，并將傳感信號接至arduino輸入接口、驅動信號接至arduino輸出接口;然后復制上述電路，作為右路仿真電路，并將傳感信號接至arduino相應的接口。如下圖所示。

五、實習效果

基于proteus和arduino的軟硬件協同仿真教學項目可以解決課程的線上實踐教學的難題。另外在缺少硬件實驗平臺的條件下，也有助于初學者提高基于Arduino的智能設備相關技術的學習效果。

作者簡介：張倩（1984.2—），女，漢族，山西省臨汾市人，南京農業大學碩士，廣州大學實驗中心，實驗師。研究方向：實驗室管理與實驗教學。

課題信息：2021年度校級教育教學改革類項目，智慧型實踐課程的探索研究