(南昌理工學(xué)院電子與信息學(xué)院 江西 南昌 330013)

淺析基于Proteus的仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建
——以單片機(jī)應(yīng)用課程為例

耿健楊威

(南昌理工學(xué)院電子與信息學(xué)院江西南昌330013)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革的基本措施,通過(guò)分析目前電子類實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)存在的缺陷及建立Proteus實(shí)驗(yàn)室的必要性,闡述了建立Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)室是建立綜合型、開(kāi)放型、創(chuàng)新型、先進(jìn)型、易管理及維護(hù)型實(shí)驗(yàn)室的良好選擇,并就Proteus實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)進(jìn)行了有益的探索。

虛擬實(shí)驗(yàn)室:Proteus;仿真

一、引言

實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)中一個(gè)重要組成部分,通過(guò)這一實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),一方面可以驗(yàn)證和鞏固所學(xué)的理論知識(shí),另一方面可以運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決實(shí)際問(wèn)題。目前在數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)和單片機(jī)的教學(xué)中,仍然采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)物教學(xué)模式,實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,往往受到諸如硬件資源、時(shí)間和空間等條件的限制,要求初學(xué)者對(duì)于需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的元件特性比較理解,然后再進(jìn)行連線實(shí)驗(yàn)。但由于很多初學(xué)者的動(dòng)手能力較差,在連接線路上浪費(fèi)了大量的時(shí)間,經(jīng)常由于連線錯(cuò)誤,造成元器件損壞或者無(wú)法工作。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)室也稱為合作實(shí)驗(yàn)室,最早在1989年由美國(guó)UniversityofVirginaia的William Wulf教授提出,用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動(dòng),將微機(jī)上各種虛擬儀器,按實(shí)驗(yàn)要求、過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn),包括元件的添加、實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析。作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充,虛擬實(shí)驗(yàn)克服了諸多條件的限制,豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段,有利于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念的更新。

二、Proteus仿真軟件簡(jiǎn)介

Proteus仿真軟件是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件,提供智能原理圖設(shè)計(jì)、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計(jì)功能,不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn),模擬電子線路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)等,而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)(單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng))的仿真實(shí)驗(yàn),這也是其他任何仿真軟件無(wú)力所及的。例如,其支持單片機(jī)和周邊設(shè)備,可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Mo torola 的68系列等常用的MCU,并提供周邊設(shè)備的仿真,例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫(kù),有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。另外在編譯調(diào)試方面,支持Keil和MPLAB等第三方集成開(kāi)發(fā)工具。

三、單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建構(gòu)

Proteus軟件具有動(dòng)態(tài)的模仿優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中可以通過(guò)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》這門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，對(duì)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拆分和綜合，可將Proteus單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性試驗(yàn)、綜合性試驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)性試驗(yàn)是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的將學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行消化，同時(shí)學(xué)會(huì)用Proteus軟件系統(tǒng)解決課堂上出現(xiàn)的問(wèn)題，使課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用MCU解決命題性實(shí)驗(yàn)的題目，學(xué)生按照擬定的題目?jī)?nèi)容進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試、代碼的編寫、PCB設(shè)計(jì)、制作PCB和驗(yàn)證PCB設(shè)計(jì)等一系列過(guò)程。由于在Proteus軟件平臺(tái)上，一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目可以做到從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計(jì)的完整過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。而完整的工作過(guò)程包括資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估6個(gè)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)主要有四個(gè)步驟：(1)工作任務(wù)的描述。包括工作任務(wù)在整個(gè)工作體系中所表現(xiàn)的出的作用、所處的地位，完成工作任務(wù)需要的設(shè)備、工具和材料等等；(2)現(xiàn)場(chǎng)演示與理論講解。教師根據(jù)工作任務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作品演示，演示作品制作的過(guò)程，加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)在演示文本的過(guò)程穿插理論的講解，引導(dǎo)學(xué)生在Proteus仿真實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建理論知識(shí)；(3)項(xiàng)目的實(shí)施。根據(jù)老師的講解和工作任務(wù)對(duì)題目進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，完成課題項(xiàng)目；(4)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。教師對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括作品的外觀、產(chǎn)品制作水平和質(zhì)量等級(jí)等，在學(xué)生之間進(jìn)行對(duì)比分析，找出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，引入Proteus虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后的單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程，非常適應(yīng)于采用基于工作過(guò)程的項(xiàng)目式教學(xué)模式，利于單片機(jī)系統(tǒng)課程開(kāi)展基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化課程教學(xué)改革。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)可以將大量教學(xué)信息直接地表現(xiàn)出來(lái),不僅有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革,提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量,而且解決了傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資金短缺和維護(hù)困難的問(wèn)題,為實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)了很大的靈活性,并且打破了空間和時(shí)間的限制,避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。

在教學(xué)上,教師利用電腦資源,結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室,將課本知識(shí)及時(shí)運(yùn)用于實(shí)際仿真,讓學(xué)生更好地理解掌握課堂知識(shí)。同時(shí)學(xué)生還可以充分利用課余時(shí)間,在自己的PC機(jī)上設(shè)計(jì)電路及仿真,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立判斷、分析和解決問(wèn)題的能力,提高學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力,拉近了學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離。

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