(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的仿真實驗室構(gòu)建
——以單片機應(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)

實驗平臺的建設(shè)是實驗教學(xué)系統(tǒng)及實驗教學(xué)內(nèi)容改革的基本措施,通過分析目前電子類實驗室平臺建設(shè)存在的缺陷及建立Proteus實驗室的必要性,闡述了建立Proteus虛擬實驗室是建立綜合型、開放型、創(chuàng)新型、先進型、易管理及維護型實驗室的良好選擇,并就Proteus實驗室架構(gòu)進行了有益的探索。

虛擬實驗室:Proteus;仿真

一、引言

實驗是課程教學(xué)中一個重要組成部分,通過這一實踐性教學(xué)環(huán)節(jié),一方面可以驗證和鞏固所學(xué)的理論知識,另一方面可以運用基礎(chǔ)理論分析和解決實際問題。目前在數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)和單片機的教學(xué)中,仍然采用傳統(tǒng)的實驗室實物教學(xué)模式,實驗需要在實驗室中進行,往往受到諸如硬件資源、時間和空間等條件的限制,要求初學(xué)者對于需要進行實驗的元件特性比較理解,然后再進行連線實驗。但由于很多初學(xué)者的動手能力較差,在連接線路上浪費了大量的時間,經(jīng)常由于連線錯誤,造成元器件損壞或者無法工作。

伴隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬實驗室應(yīng)運而生。虛擬實驗室也稱為合作實驗室,最早在1989年由美國UniversityofVirginaia的William Wulf教授提出,用來描述一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。虛擬實驗就是利用鼠標的點擊、拖動,將微機上各種虛擬儀器,按實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng),同時在這個系統(tǒng)上完成整個實驗,包括元件的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的模擬、分析。作為傳統(tǒng)實驗的重要補充,虛擬實驗克服了諸多條件的限制,豐富了實踐性教學(xué)的手段,有利于現(xiàn)代實驗教學(xué)觀念的更新。

二、Proteus仿真軟件簡介

Proteus仿真軟件是一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件,提供智能原理圖設(shè)計、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)計功能,不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路原理實驗,模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗等,而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗,其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)(單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng))的仿真實驗,這也是其他任何仿真軟件無力所及的。例如,其支持單片機和周邊設(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,有RAM、ROM、鍵盤、馬達、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等第三方集成開發(fā)工具。

三、單片機虛擬仿真實驗的建構(gòu)

Proteus軟件具有動態(tài)的模仿優(yōu)勢，在教學(xué)中可以通過《單片機原理與應(yīng)用》這門課程的教學(xué)內(nèi)容進行分析研究，對教學(xué)的知識點進行拆分和綜合，可將Proteus單片機仿真實驗分為基礎(chǔ)性試驗、綜合性試驗和創(chuàng)新性實驗?；A(chǔ)性試驗是對單片機系統(tǒng)相關(guān)課程中的實驗進行模擬設(shè)計及設(shè)計驗證，實驗設(shè)計的目的將學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識進行消化，同時學(xué)會用Proteus軟件系統(tǒng)解決課堂上出現(xiàn)的問題，使課堂教學(xué)與實驗相結(jié)合；綜合性實驗是在學(xué)生學(xué)習(xí)單片機系統(tǒng)模擬實驗的基礎(chǔ)上，增加實驗的內(nèi)容，在實驗教師的指導(dǎo)下，運用MCU解決命題性實驗的題目，學(xué)生按照擬定的題目內(nèi)容進行電路圖設(shè)計、仿真調(diào)試、代碼的編寫、PCB設(shè)計、制作PCB和驗證PCB設(shè)計等一系列過程。由于在Proteus軟件平臺上，一個產(chǎn)品項目可以做到從原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計的完整過程，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。而完整的工作過程包括資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估6個環(huán)節(jié)，項目化實驗主要有四個步驟：(1)工作任務(wù)的描述。包括工作任務(wù)在整個工作體系中所表現(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)場演示與理論講解。教師根據(jù)工作任務(wù)，進行現(xiàn)場作品演示，演示作品制作的過程，加深學(xué)生的感性認識，同時在演示文本的過程穿插理論的講解，引導(dǎo)學(xué)生在Proteus仿真實驗中構(gòu)建理論知識；(3)項目的實施。根據(jù)老師的講解和工作任務(wù)對題目進行設(shè)計和制作，完成課題項目；(4)對仿真實驗進行總結(jié)。教師對學(xué)生完成的作品進行評價，包括作品的外觀、產(chǎn)品制作水平和質(zhì)量等級等，在學(xué)生之間進行對比分析，找出優(yōu)點和缺點。因此，引入Proteus虛擬仿真實驗系統(tǒng)后的單片機系統(tǒng)相關(guān)課程，非常適應(yīng)于采用基于工作過程的項目式教學(xué)模式，利于單片機系統(tǒng)課程開展基于工作過程的項目化課程教學(xué)改革。

四、結(jié)語

虛擬實驗室中做實驗可以將大量教學(xué)信息直接地表現(xiàn)出來,不僅有利于促進課程和教學(xué)改革,提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量,而且解決了傳統(tǒng)單片機實驗室設(shè)備資金短缺和維護困難的問題,為實踐性教學(xué)設(shè)計過程帶來了很大的靈活性,并且打破了空間和時間的限制,避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。

在教學(xué)上,教師利用電腦資源,結(jié)合虛擬實驗室,將課本知識及時運用于實際仿真,讓學(xué)生更好地理解掌握課堂知識。同時學(xué)生還可以充分利用課余時間,在自己的PC機上設(shè)計電路及仿真,培養(yǎng)學(xué)生獨立判斷、分析和解決問題的能力,提高學(xué)生的實踐能力和設(shè)計能力,拉近了學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離。

[1]徐雅琴,付穎.開放式化學(xué)實驗的研究與探索[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(2):14-15.

[2]張文貴,陳增川,楊平,等.建立個性化實驗室加強大學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力的培養(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(5):1-4.

[3]丁紅,吳志,白艷梅,等.電子信息類虛擬實驗室的開發(fā)與建設(shè)[J].科技信息:科學(xué)教研,2007(25):8.

[4]張淑玲.開放性電子信息工程實驗室建設(shè)規(guī)劃[J].湖北經(jīng)濟學(xué)院學(xué)報:人文社會科學(xué)版,2007(11):77-78.