摘 要：傳統(tǒng)的硬件仿真實驗室都是通過硬件仿真器配目標實驗板的方式構(gòu)建的，這種仿真屬于驗證性實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。本文構(gòu)建了一套基于Proteus的計算機硬件虛擬仿真實驗室平臺，將理論與實際相結(jié)合，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量和效率，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力及促進學(xué)校教學(xué)的改革。

關(guān)鍵詞：仿真實驗室；Proteus；硬件實驗

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2013） 09-0000-02

1 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真虛擬實驗室的綜合運用，社會對學(xué)生的綜合素質(zhì)要求也不斷提高，學(xué)生需要很強的動手能力和實驗?zāi)芰1]。使用Proteus軟件構(gòu)建硬件仿真虛擬實驗室系統(tǒng)，不僅成本低，而且學(xué)生還可以按照自己的思路設(shè)計硬件系統(tǒng)，完成大多數(shù)實驗，從而提高學(xué)生的積極性和動手能力[2-3]。利用Proteus構(gòu)建硬件仿真虛擬實驗室，不僅成本低，設(shè)備管理和維護簡單，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。

2 虛擬仿真實驗室結(jié)構(gòu)

2.1 Proteus仿真實驗室概念

所謂虛擬仿真實驗室是指利用計算機仿真技術(shù)，在計算機上學(xué)習電路、微機原理、嵌入式系統(tǒng)等課程，并進行對應(yīng)的實驗（設(shè)計、仿真、調(diào)試、運行）。以虛擬設(shè)備代替實體設(shè)備、以軟件代替硬件，就是虛擬仿真實驗室的本質(zhì) [4]。

2.2 Proteus仿真實驗室系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 Proteus虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示基于Proteus的虛擬仿真實驗室的系統(tǒng)架構(gòu)，該Proteus是建立在計算機網(wǎng)絡(luò)平臺上的一個綜合設(shè)計實驗系統(tǒng)。本Proteus仿真虛擬系統(tǒng)是一個從概念到產(chǎn)品的完整系統(tǒng)，從圖中可以看出，該仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)原理圖設(shè)計、單片機編程、系統(tǒng)仿真、PCB設(shè)計。

2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)平臺

由圖1可以看出，本課題的虛擬仿真實驗室的基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)平臺，通過該計算機網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)校內(nèi)師生可以在任何地點、任何時間對其進行訪問和使用學(xué)習。因此，將Proteus仿真系統(tǒng)服務(wù)器存放在校內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中心，與學(xué)校各師生進行網(wǎng)絡(luò)連接，可以保證本Proteus仿真系統(tǒng)的開放性，使得學(xué)校內(nèi)更多的師生可以使用該平臺，充分發(fā)揮其多學(xué)科實驗覆蓋的特性。該計算機網(wǎng)絡(luò)平臺的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 計算機網(wǎng)絡(luò)平臺拓撲結(jié)構(gòu)

2.4 Proteus軟件平臺

Proteus是一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，使用Proteus軟件，可以實現(xiàn)原理圖設(shè)計、模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、MCU混合仿真和PCB系統(tǒng)設(shè)計，除此之外，Proteus還可以進行仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特點在于Proteus可以提供x86、單片機、ARM等系統(tǒng)的仿真實驗。

2.5 Proteus試驗系統(tǒng)

Proteus是該虛擬仿真實驗室中最核心的一部分，為了增強學(xué)生的認知度以及提高學(xué)生的動手能力和教師的教學(xué)能力，在仿真試驗中，應(yīng)該首選利用Proteus繪制原理圖、編譯程序。而且在教學(xué)試驗中，為了提高教學(xué)的說服力，教師可以將自己編譯好的程序用編程器燒錄至Rom中，然后對目標實驗板進行運行并觀察結(jié)果，這樣可以給學(xué)生提供仿真和驗證的機會，避免了理論脫離實際。

3 虛擬仿真實驗室實驗內(nèi)容

通過對高校計算機硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的研究與分析，充分發(fā)揮Proteus仿真實驗室的優(yōu)勢，本課題對x86、單片機的教學(xué)內(nèi)容進行拆分，把本仿真實驗內(nèi)容分為三類：基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)造性實驗。

基礎(chǔ)性實驗包括MCU最小系統(tǒng)實驗、匯編語言程序設(shè)計實驗、中斷實驗、計數(shù)器實驗等以驗證性實驗，該實驗主要以提高學(xué)生對理論知識的吸納和提高學(xué)生的動手能力為主，目的在于使得學(xué)生能夠掌握書本的基礎(chǔ)知識。

綜合性實驗包括模擬交通燈控制設(shè)計、電子萬年歷設(shè)計、波形發(fā)生器設(shè)計、直流電機控制設(shè)計等以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的實驗。該實驗室基于基礎(chǔ)性實驗之上的實驗，是在學(xué)生完成硬件課程的基礎(chǔ)知識學(xué)習后開設(shè)的綜合性實驗，主要內(nèi)容是教師給定一個課題，學(xué)生按照課題的要求，對系統(tǒng)進行分析、電路設(shè)計、軟件設(shè)計、仿真調(diào)試、PCB設(shè)計與制作等。

創(chuàng)新性實驗是建立在基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗之上的一種創(chuàng)新實驗。學(xué)生在完成硬件課程學(xué)習的基礎(chǔ)上，利用本創(chuàng)新性實驗完成畢業(yè)設(shè)計等工作，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法通過該系統(tǒng)完成設(shè)計與仿真，并對其進行研究。

4 虛擬仿真實驗室實驗方法

傳統(tǒng)的硬件實驗中，一般不存在硬件電路的設(shè)計，主要是因為傳統(tǒng)x86、單片機的硬件部分大多數(shù)都是由電路板或者實驗箱提供的，因此實驗多為驗證性實驗，缺乏創(chuàng)新性實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。然而，基于Proteus的虛擬仿真實驗中，所有的硬件和軟件都可以由學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計與實現(xiàn)，硬件的修改與軟件修改一樣簡單，大大節(jié)省了實驗的成本和時間。

5 虛擬仿真實驗室教學(xué)目標

通過本課題的基于Proteus的硬件虛擬仿真實驗室可以實現(xiàn)以下3個目標：

5.1 實驗教學(xué)系統(tǒng)的重大改革。通過本系統(tǒng)可以進行基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，使得硬件實驗得到根本性的改變。在本系統(tǒng)中，電路設(shè)計、程序設(shè)計、仿真實驗、PCB設(shè)計與制作集為一體，教師和學(xué)生不再受時間、地點、設(shè)備的限制，充分享受實驗帶來的知識和樂趣。

5.2 教師教學(xué)模式改革。教師在課堂上引入本仿真實驗系統(tǒng)后，有利于教學(xué)課程的改革，將理論與實際聯(lián)系在一起，使得學(xué)生在最大程度上接收與掌握理論知識。

5.3 有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力。當前學(xué)生急需培養(yǎng)實驗動手能力和創(chuàng)新能力，在傳統(tǒng)的實驗當中，忽視了學(xué)生的設(shè)計能力培養(yǎng)，基本沒有設(shè)計到學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此普遍存在著學(xué)生學(xué)習的理論知識不知道如何運用到實際生活中去。

6 結(jié)束語

構(gòu)建基于Proteus的硬件虛擬仿真實驗室系統(tǒng)，不僅可以減少學(xué)校的硬件投入，更可以幫助學(xué)生更好的掌握理論教學(xué)知識，加深對原理的理解。學(xué)生通過該系統(tǒng)進行基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，加強學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且，本系統(tǒng)也有利于促進教學(xué)系統(tǒng)的改革。

參考文獻：

[1]劉萌，鄭煊.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構(gòu)建[J].山東教育學(xué)院學(xué)報，2009，6（4）：12-15.

[2]田建偉，胡德安.一種單片機虛擬實驗室的建立方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（14）：67-69.

[3]胡敬朋，王聰.基于Proteus的電子產(chǎn)品仿真設(shè)計[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，5（4）：121-123.

[4]陳龍，張亞君.Proteus仿真軟件在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2009（8）：87-89.

[作者簡介]郭榮寧（1957-），男，山東德州人，工作單位：解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計算機應(yīng)用。