PROTEUS虚拟电子实验室在教学中的应用研究

摘要：基于PROTEUS的虚拟电子实验室具有投入低、易维护、先进性、创新性、多功能性等特点，可以弥补传统硬件电子实验室的诸多不足。着重介绍了PROTEUS软件、虚拟电子实验室的系统结构及其在试验教学中的应用实例。河南科技大学将该项研究应用于教学实践，取得了显著效果。

关键词：PROTEUS；虚拟实验室；教学实例

中国分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）12-0124-02

现今，高校出于教学和科研的需要均建设有各类电子实验室，硬件设备数量庞大，但随着电子技术的飞速发展，各种新设备、新器件层出不穷，这就造成这样一种现状：某一种实验设备刚进实验室就有可能在短期内面临着技术上的落后。因此，基于各种硬件设备建立的电子实验室存在着不利于管理维护、不利于保持实验室的先进性、不利于保护前期巨大投资等缺点。而且，现有的各类硬件电子实验室往往针对相应的课程实验配置硬件，而各门课程实验内容彼此孤立，这就造成硬件设备通用性差、利用率低，学生通过传统实验手段所得到的训练是片面的、局部的，其对产品开发过程的认识并不深刻，直接导致了学生所学不能为之所用，不利于培养学生的综合创新能力。基于PROTEUS软件的虚拟电子实验室具有投入低、易维护、先进性、开放性、创新性、多功能性等特点，可以弥补传统硬件电子实验室的诸多不足，为电子类专业的实验室建设和教学带来了前所未有的新思维。

一、PROTEUS仿真软件介绍

PROTEUS软件是英国Lab Center Electronics公司出版的一款功能强大的EDA工具软件，具有智能原理图设计、ProSPICE混合仿真、微处理器协同仿真和一键可进入PCB设计等功能。PROTEUS提供了丰富的元器件资源，除了具有电容、电感、电阻、晶体管、放大器等其他仿真软件均具有的常规元件外，还具有ARM7、8051/52、AVR、PIC等主流微处理器及LCD模块、LED点阵、键盘/按键等通用外设元器件。PROTEUS提供了示波器、信号发生、逻辑分析仪等各种仪表资源。PROTEUS还具有图形显示功能，可以将线路上变化的信号以图形的方式实时显示出来。在程序编译和调试方面，PROTEUS内集成有8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境结合进行高级语言的仿真和调试。PROTEUS仿真软件的具体功能及特点介绍如下：

1.智能化的原理图设计

丰富的器件库功能可方便地创建新元件，智能的器件搜索功能可通过模糊搜索来快速定位器件，智能的连线工具能够使导线连接简单快捷；支持总线结构，使用总线布线和总线器件使电路设计更简明；可输出高质量图纸，通过设置可以生成清晰BMP图纸，从而能够方便地供POWERPOINT、WORD等文档使用。

2.微处理器仿真功能

支持多种主流CPU类型，包括8086、8051/52、MSP430、ARM7、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24等，CPU类型随着版本升级还在继续增加；支持通用外设模型，如LED点阵、LCD模块、键盘/按键、伺服电机/直流/步进、电子温度计、RS232虚拟终端等等，其COMPIM可以使仿真电路通过计算机串口和外部的电路实现串口通信；实时仿真支持SPI/I2C仿真、中断仿真、UART仿真、RTC仿真、MSSP仿真、ADC仿真、PSP仿真；内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，支持与第三方集成编译环境（如Keil等）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。

3.强大的电路仿真功能

ProSPICE混合仿真可实现数字/模拟电路的混合仿真：超过45000种仿真器件可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自定义仿真器件，还可以导入第三方仿真器件；高级图形仿真功能：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；生动的仿真显示：导线以不同颜色表示其对地电压大小，用色点显示引脚的数字电平，结合动态器件的使用可以使仿真更加生动；多样的激励源包括脉冲、直流、分段线性脉冲、正弦、音频、指数信号、单频FM、码流和数字时钟；丰富的虚拟仪器面板操作逼真，如直流电压/电流表、信号发生器、示波器、交流电压/电流表、逻辑分析仪、频率计/计数器、数字图案发生器、虚拟终端、I2C调试器、SPI调试器等。

4.完整的PCB设计功能

能够完成原理图到PCB的快速转换，原理图设计完成后可一键进入PCB设计环境；具有先进的自动布局/布线功能，支持器件的人工/自动布局和布线，支持引脚交换功能，使得PCB设计更加合理；具有完整的PCB生成功能，最多可设计4个机械层、2个丝印层、16个铜箔层，用户可灵活设置布线策略；支持多种输出格式，支持Gerber文件的导出和导入，支持与其他PCB设计工具的相互转换。

因此，对PROTEUS进行开发可以建立用于电子类各门课程的实验教学及科研的完备的电子电路设计与虚拟实验环境。[1]

二、PROTEUS虚拟电子实验室系统结构

利用PROTEUS软件的强大仿真能力，借助个人计算机，针对电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、单片机技术、ARM应用技术、微机原理等课程及电子综合创新应用开发实验项目，并进行相应的电路设计、软件编程、仿真调试等，使得一个计算机硬件平台、一套电子仿真软件、一本虚拟实验教程就可以构建一个技术先进的电子实验室，能够进行上述各门课程的综合实验。以软代硬、以虚代实，克服场地、器材限制，即为虚拟电子实验室的实质。

PROTEUS虚拟电子实验室主要包括计算机网络（或单机）和仿真实验内容两大部分，系统结构如图1所示。[2]将PROTEUS虚拟电子实验室开设的实验项目分为三个层次：基础、综合和创新实验。其中，基础实验以培养学生操作能力为主，综合实验以培养学生综合性设计能力为主，创新实验以培养学生创新思维设计能力为主。在每一层次均可以开展电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、单片机技术、ARM应用技术、微机原理等课程实验。以单片机技术课程为例，在基础实验层次可以进行诸如流水灯显示、数码显示、按键识别、串口通信、AD转换等实验的设计验证；在综合实验层次，教师可以针对某一类型的MCU，如AVR系列单片机，给定一个综合实验（课程设计）的题目，学生按照设定题目内容开展电路图设计、代码的编写、仿真调试、PCB设计、制作PCB、验证PCB设计等。在创新型实验层次，教师、学生可以按照自己的想法或兴趣进行相应的设计和研究。另外，针对每门课程实验内容必须编写相应的实验指导书，对每个实验项目的实验目的、内容、软硬件选择、思考题作出详细说明，必要时可提供原理图和源程序。

三、PROTEUS电子实验室教学应用实例

这里以单片机技术课程中的一个实验项目为例，说明PROTEUS虚拟电子实验室在课程实验教学中的应用。

1.实验目的及要求

实验目的：掌握AVR单片机的端口操作及外中断的应用，熟悉Intel8253定时器的使用。

功能要求：使用ATMEGA64单片机控制单个数码管实现0～9数值的循环显示，并且通过Intel8253的精确定时实现每隔1秒钟显示数值加1的功能。

2.设计内容

（1）设计思路。将Intel8253的三个定时器T0、T1、T2工作方式均设置为方式2，并将三者串联为一个模值为48位的定时器T，以1MHz数字时钟作为T的CLK时钟输入。设置T的初始定时计数值，使得Intel8253每隔1秒钟从OUT2端口输出脉冲触发信号。将该触发信号接ATMEGA64单片机的外触发端INT0，单片机收到中断触发信号，则控制相应数码进行显示。

（2）原理图绘制。打开PROTEUS软件，进入原理图输入界面，运用智能化元器件搜索和连线工具，绘制电路原理图，如图2所示。

（3）控制程序编写与调试。采用PROTEUS与WinAVR软件联调的方式进行控制程序的开发与实验结果验证。首先操作WinAVR软件，进行程序编写与调试。点击菜单File→new→project新建一个工程项目，取名为Intel8253.pnproj。点击菜单File→New→Default，新建文件，在编辑区内编写控制程序代码，并保存到新建Project的目录下，取名为Intel8253.c。右键点击工程管理窗口的Intel8253工程项目，点击Add Files，完成源程序文件添加。要顺利完成编译，还需要配置makefile文件，点击程序里的Mfile[WinAVR]，弹出makefile文件配置对话框，分别配置芯片类型、输出格式、优化级别等选项后将修改后的makefile文件同样保存到新建Project的目录下。完成以上操作后，点击菜单Tools→Make all即可完成程序编译，并生成可下载文件Intel8253.hex。

其次操作PROTEUS软件，进行结果验证。在原理图绘制界面里双击ATMEGA64芯片，在“Program File：”选项选择上述WinAVR工具生成的可下载文件Intel8253.hex，即完成单片机程序的仿真实验。点击左下角“play”快捷键进行电路功能的验证，根据仿真显示结果进行软硬件设计的调整，直至实现实验功能要求，完成该项实验。

四、结论

虚拟仿真的实现是对教学创新的极大贡献。PROTEUS虚拟电子实验室起步于20世纪90年代，在短短二十多年的时间内得到了快速的发展，其用户已遍布世界各地，包括California、Stanford、Cambridge、Oxford等国际知名大学，也包括Philips、Motorola、ST、Sony等跨国公司。PROTEUS虚拟电子实验室在20世纪初期进入我国，目前已在国内诸如华南理工、上海交通大学、中山大学、清华大学等100多所高等院校及企业得到应用。基于PROTEUS的虚拟电子实验室是一个多功能的实验平台，不仅可以完成电路分析、模拟电子技术、数字电子技术的仿真实验，而且可以完成微机原理、单片机技术、ARM应用等嵌入式类课程的仿真实验，在河南科技大学电类课程教学实践中发挥着重要作用。虚拟电子实验室建成后，河南科技大学利用已有的计算机机房实现了电子技术实验的全面开放。从2010年开始，借助该仿真实验平台对河南科技大学参加全国大学生电子设计竞赛的学生进行赛前培训，有效提高了学生的实践和创新能力，取得了良好的培训效果。在2011年度全国大学生电子竞赛中河南科技大学获得全国二等奖1项、省一等奖3项、省二等奖3项、省三等奖6项；在2013年度全国大学生电子竞赛中获得国家奖1项、省一等奖5项、省二等奖5项、省三等奖2项。

参考文献：

[1]匡载华，邓小鹏.电子类学科专业Proteus实验室的建设[J].实验技术与管理，2009，26（1）：155-158.

[2]刘胜，杨夏.基于Proteus的数字电路虚拟实验室建设[J].电气电子教学学报，2012，34（3）：85-87.

（责任编辑：王祝萍）

推荐访问:在教 实验室 学中 虚拟 研究