陳堅(jiān)禎 陽(yáng) 平 程 鵬 焦 鉻 梁小滿 眭仁武 彭青山 黃陽(yáng)平

（衡陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖南 衡陽(yáng) 421001）

Proteus仿真在計(jì)算機(jī)嵌入式方向系列課程中的應(yīng)用

陳堅(jiān)禎 陽(yáng) 平 程 鵬 焦 鉻 梁小滿 眭仁武 彭青山 黃陽(yáng)平

（衡陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖南 衡陽(yáng) 421001）

論文結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式方向系列課程教學(xué)現(xiàn)狀及Proteus仿真軟件的特點(diǎn)，從數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、接口技術(shù)、單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)等系列課程教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革出發(fā)，介紹了Proteus仿真在這些理論和實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明Proteus仿真很好地促進(jìn)了該系列課程的教學(xué)改革，取得了很好的效果。

嵌入式方向；Proteus仿真；教學(xué)改革

1 引言

當(dāng)今，隨著嵌入式產(chǎn)品，如智能家電、手機(jī)、平板電腦、汽車電子、醫(yī)療儀器、智能機(jī)床、航天航空設(shè)備等電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)和技術(shù)以排山倒海之勢(shì)已逐漸占據(jù)了我們生產(chǎn)、生活和娛樂的各個(gè)方面。社會(huì)對(duì)掌握嵌入式技術(shù)的人才的需求越來越大，各個(gè)大學(xué)眾多專業(yè)紛紛開設(shè)了嵌入式方向課程，并在計(jì)算機(jī)專業(yè)體系下設(shè)置了嵌入式專業(yè)方向，甚至開辦以嵌入式為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)也成了熱點(diǎn)[1-3]。

嵌入式作為計(jì)算機(jī)一個(gè)的專業(yè)方向，關(guān)于它的課程體系、培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的研究得到了各個(gè)高校的普遍重視。本文基于嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)發(fā)展的新需求，以計(jì)算機(jī)系列課程為依托，引入proteus虛擬仿真平臺(tái)，提出面向工程應(yīng)用的嵌入式方向的培養(yǎng)方案，形成了理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，系列課程全程貫穿實(shí)際工程應(yīng)用的聯(lián)合教學(xué)模式。

2 嵌入式方向系列課程的培養(yǎng)模式

2.1 嵌入式方向課程教學(xué)的現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)很多大學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)三、四年級(jí)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)課程或?qū)I(yè)選修課，但是由于嵌入式技術(shù)的復(fù)雜性和綜合性，要想讓學(xué)生在短時(shí)間掌握嵌入式技術(shù)，這對(duì)教學(xué)提出了很高的要求。很難指望學(xué)生在一門課程內(nèi)掌握從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的各種知識(shí)和技能，而很多學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)前期基礎(chǔ)如微機(jī)原理等一些課程又感到很困難，學(xué)完之后也不知道怎么用它。這暴露出我們教學(xué)中的一些問題，因此在我們的教學(xué)中，要改變觀點(diǎn)，結(jié)合市場(chǎng)需求，把提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力作為教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)。

要培養(yǎng)合格的、滿足社會(huì)需求的嵌入式技術(shù)人才，必須明確嵌入式人才的知識(shí)與技能要求，強(qiáng)調(diào)嵌入式工程應(yīng)用能力培養(yǎng)，構(gòu)建人才培養(yǎng)的理論教學(xué)體系和實(shí)踐教學(xué)體系，并將其轉(zhuǎn)化成為一系列的相互關(guān)聯(lián)的、目標(biāo)明確、相互支撐的相關(guān)課程，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的課程體系，最終形成符合社會(huì)需要的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向或嵌入式系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)。

2.2 嵌入式方向軟硬件課程知識(shí)體系

嵌入式專業(yè)方向培養(yǎng)偏向嵌入式設(shè)計(jì)開發(fā)，具有基礎(chǔ)扎實(shí)、解決問題能力強(qiáng)，掌握軟件硬件工程型技術(shù)的專業(yè)人才。其課程體系應(yīng)該體現(xiàn)“注重工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)人才知識(shí)體系”。根據(jù)學(xué)生的接受能力，嵌入式知識(shí)的學(xué)習(xí)應(yīng)體現(xiàn)層次性、由易到難的漸進(jìn)性、注重實(shí)踐性。其知識(shí)結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)這樣一個(gè)層次結(jié)構(gòu)組成。嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向系列課程培養(yǎng)知識(shí)體系如圖1所示。

圖1.嵌入式方向系列課程培養(yǎng)知識(shí)體系

在專業(yè)課程階段，嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性的課程，對(duì)完成解決實(shí)際問題的工程能力培養(yǎng)十分重要，它涉及微電子、單片機(jī)、操作系統(tǒng)、接口技術(shù)、C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言、軟件工程等諸多知識(shí)，這就對(duì)該課程的前期基礎(chǔ)教學(xué)提出了較高要求。如何注重系列課程前后之間的知識(shí)銜接關(guān)系，強(qiáng)化支撐和關(guān)聯(lián)，并全程貫穿實(shí)際工程應(yīng)用的聯(lián)合教學(xué)模式，對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”等課程開展研究性教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生善于思考和較強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

出于工程應(yīng)用培養(yǎng)的需要，在教學(xué)實(shí)踐中引入 Proteus嵌入式虛擬教學(xué)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能很好地把嵌入式方向系列課程前后關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)微電子、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理、單片機(jī)、操作系統(tǒng)、接口技術(shù)、C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言等系列課程的知識(shí)銜接，且使各門課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，極大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3 Proteus嵌入式虛擬教學(xué)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

3.1 平臺(tái)軟件Proteus介紹

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的世界上著名的EDA工具軟件，能完成從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，再到PCB設(shè)計(jì)，是從概念到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用平臺(tái)。是一個(gè)電子硬件設(shè)計(jì)以及集成C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言、支持Keil C聯(lián)調(diào)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新平臺(tái)。涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室、接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的全部功能。它提供了30多個(gè)元件庫(kù)，有數(shù)千種仿真元器件，能仿真51系列、AVR、PIC、ARM等系列常用主流單片機(jī)，提供了大量的存儲(chǔ)器和外圍器件、多樣的激勵(lì)源和多種虛擬儀器等硬件支持。除提供基本的軟件編譯、匯編、調(diào)試功能外，還支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51等軟件[4-5]。

它可以對(duì)模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過動(dòng)態(tài)器件和虛擬儀器操作，可以看到運(yùn)行后逼真實(shí)際的硬件或系統(tǒng)效果。用Proteus軟件來構(gòu)建虛擬的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以很好地滿足計(jì)算機(jī)軟硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真需要，在嵌入式方向系列課程中開展Proteus軟件的仿真教學(xué)，將對(duì)學(xué)生前后課程的學(xué)習(xí)起到相互鋪墊、相互支撐的作用。

它還可以不斷強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用能力，如利用Proteus軟件逐步建立并強(qiáng)化學(xué)生掌握如下五個(gè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的步驟：(1)進(jìn)行數(shù)字、模擬電路及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等硬件原理圖設(shè)計(jì)；（2）基于硬件開發(fā)嵌入式軟件；(3)對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)分析與仿真以及返回修改；(4)將硬件原理圖轉(zhuǎn)換為PCB圖。（5）動(dòng)手試制調(diào)試實(shí)物產(chǎn)品。

Proteus軟件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室將更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)效率更高、互動(dòng)性更好。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上僅能提供有限的元件，只能完成一些常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。而在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提供了大量的虛擬元件供學(xué)生選擇使用，這樣就可以在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想像力。

3.2 將Proteus引入“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)

在數(shù)字邏輯課程教學(xué)中，采用Proteus進(jìn)行案例演示，可增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性和直觀性。例如，在講述采用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的環(huán)型計(jì)數(shù)器時(shí)，教師可以用不同的集成計(jì)數(shù)器芯片如74HC74等制作不同的進(jìn)制的環(huán)型計(jì)數(shù)器進(jìn)行演示，讓學(xué)生對(duì)集成計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用加深理解(如圖2所示)。

圖2.用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的環(huán)型計(jì)數(shù)器案例

3.3 將Proteus引入“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)

在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中，同樣采用Proteus進(jìn)行案例教學(xué)，既可增強(qiáng)計(jì)算機(jī)組成原理課程與前期微電子電路和數(shù)字邏輯課程聯(lián)系，又將激發(fā)學(xué)生深化學(xué)習(xí)和進(jìn)一步求知的欲望和熱情。例如，在講述不帶符號(hào)乘法器時(shí)，承前根據(jù)與門、或門和異或門等基本電路，采用芯片如74HC386、74S08、74HC4075、數(shù)碼管等制作乘法器進(jìn)行演示，也可讓學(xué)生課后以獨(dú)立完成作業(yè)的形式加深理解(如圖3所示)。

圖3.學(xué)生完成的不帶符號(hào)乘法器作業(yè)

同時(shí)，利用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線、接口和I/O部件等案例后，將它們組裝在一起，能十分形象、逼真地演示馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)五大部件協(xié)同工作的單機(jī)工作原理，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生建立牢固的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念和思想，又培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，圖4所示為具有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線、接口和I/O部件組裝后的簡(jiǎn)單馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)電路圖。

圖4 簡(jiǎn)單馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)電路圖

3.4 將Proteus引入“單片機(jī)原理”課程教學(xué)

在前期教學(xué)的入門提高引導(dǎo)后，課堂上就可以很自然地利用Proteus軟件進(jìn)行教學(xué)，預(yù)先設(shè)計(jì)好典型的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，向?qū)W生演示單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)、調(diào)試修改的全過程，從而使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的工作原理、設(shè)計(jì)效果有深刻的了解。圖5為智能流量采集系統(tǒng)的實(shí)例仿真及效果演示圖。該系統(tǒng)中，利用PIC16F877A單片機(jī)、LGM12641BS1R的LCD顯示、按鍵操作、模擬信號(hào)采集仿真電路等。

在這門課程中，學(xué)生用Proteus軟件設(shè)計(jì)與仿真，就如擁有一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室，可以大膽進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、測(cè)量、調(diào)試、修改。成功后，只要安裝正確無(wú)誤，布線合理，焊接可靠，實(shí)際作品都會(huì)與設(shè)計(jì)仿真的結(jié)果一致。不會(huì)因失誤而造成硬件投入浪費(fèi)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)損耗問題。

4 結(jié) 論

嵌入式技術(shù)的發(fā)展需要高校的培養(yǎng)體系與教學(xué)模式不斷改革。本文就計(jì)算機(jī)專業(yè)適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的新需求，探討嵌入式方向課程體系及其教學(xué)模式，在系列教學(xué)中引入Proteus虛擬教學(xué)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目的是更加注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合起來，使學(xué)生打好基礎(chǔ)功底，強(qiáng)化動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。應(yīng)用Proteus虛擬教學(xué)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以彌補(bǔ)硬件環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，并為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等重要實(shí)踐環(huán)節(jié)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),使學(xué)生獨(dú)立操作能力和創(chuàng)造力都得到發(fā)揮，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

圖5.單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)例仿真及效果演示圖

[1]邱鐵,吳國(guó)偉,劉曉艷.基于應(yīng)用的高校嵌入式系統(tǒng)方向培養(yǎng)模式[J].計(jì)算機(jī)教育,2011,(4):1-4.

[2]文全剛,陳守孔.嵌入式方向課程設(shè)置與教學(xué)-基于ARM體系結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)教育,2007,(17):25-27,37.

[3]孫士明,劉新平,鄭秋梅,等.計(jì)算機(jī)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,(5):122-125,145.

[4]周潤(rùn)景,張麗娜.基于 Proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[5]林志琦,郎建軍,等.基于Proteus的嵌入式可視化軟硬件仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

TP39

A

1673-2219（2012）08-0063-03

2012－06－11

陳堅(jiān)禎（1966－），男，湖南新寧人，衡陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真、流量檢測(cè)。

（責(zé)任編校：京華，俊華）