董紅生++秦雯++劉青++劉文莉++李慧玲

摘 要 探討Proteus虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)綜合實踐教學(xué)中的應(yīng)用。實踐表明，在單片機(jī)綜合實踐教學(xué)中引入Proteus虛擬仿真技術(shù)，對于豐富單片機(jī)實踐教學(xué)內(nèi)容、增強(qiáng)實踐教學(xué)效果及培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力有很大促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；綜合實踐；Proteus仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0152-03

隨著單片機(jī)技術(shù)在測控系統(tǒng)、智能儀表、機(jī)電一體化、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，社會對熟練使用單片機(jī)的人才需求量越來越大，使得單片機(jī)課程在高校教學(xué)中的地位顯得越來越重要，已成為電子信息、計算機(jī)通信、電氣工程、自動化、機(jī)電、數(shù)控等各工科專業(yè)大學(xué)生必須要掌握的一門基本技術(shù)，也是學(xué)生走向工作崗位所必須具備的重要技能。要學(xué)好單片機(jī)課程必須強(qiáng)化實踐技能，尤其要重視單片機(jī)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等綜合實踐環(huán)節(jié)。單片機(jī)綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是面向工程、面向知識的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的綜合性、系統(tǒng)化的實踐訓(xùn)練，這一實踐環(huán)節(jié)實施的質(zhì)量對于課程學(xué)習(xí)及學(xué)生實踐技能和創(chuàng)新意識培養(yǎng)至關(guān)重要。

Proteus軟件是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，在國內(nèi)推廣應(yīng)用后，受到從事單片機(jī)教學(xué)的教師和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)人員的青睞[1]。將Proteus虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于單片機(jī)綜合實踐教學(xué)中，對于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，提高單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)能力及培養(yǎng)工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力有很大的促進(jìn)作用，也是提升單片機(jī)綜合實踐教學(xué)質(zhì)量最好的途徑。

1 Proteus軟件特點及虛擬仿真技術(shù)

Proteus是目前最先進(jìn)、最完備的電子設(shè)計開發(fā)平臺，由ISIS和ARES兩部分組成。ISIS是電子線路仿真平臺，能實現(xiàn)模電、數(shù)電、模/數(shù)混合電路、單片機(jī)及外圍電路系統(tǒng)的設(shè)計與仿真；ARES是電子線路的PCB設(shè)計平臺；支持PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計。Proteus軟件具有以下幾個特點[2]。

1）原理圖繪制功能強(qiáng)大：Proteus具有豐富的電子器件庫，提供了超過35 000種元器件；具有自動連線功能，支持總線器件和總線布線，可輸出高質(zhì)量圖紙等。

2）完善的電路仿真與精確分析功能：Proteus具有多樣的輸入激勵源，如直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻等；具有多種虛擬儀器儀表，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、交直流電壓/電流表等；仿真顯示生動、直觀；利用高級圖形仿真功能可以精確分析電路的工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、噪聲及失真等多項指標(biāo)。

3）單片機(jī)協(xié)同仿真功能：Proteus支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，包括68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、ARM系列等；支持字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵等通用外設(shè)模型。

4）提供軟件調(diào)試功能：內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如IAR、Keil等軟件。

5）強(qiáng)大的PCB設(shè)計平臺：Proteus具有先進(jìn)的自動布局/布線功能和完整的PCB設(shè)計功能，可實現(xiàn)可視化3D預(yù)覽，并支持多種輸出格式。

計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)具有設(shè)計靈活、結(jié)果與過程統(tǒng)一的特點，是許多工程前期設(shè)計的重要手段。基于Proteus軟件的單片機(jī)系統(tǒng)仿真過程描述為：先在Proteus ISIS環(huán)境進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖編輯；然后利用Proteus的編譯器或第三方編譯軟件（如Keil等）設(shè)計程序，編譯后將目標(biāo)代碼文件（.HEX）加載到Proteus單片機(jī)模型；最后執(zhí)行系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，觀察仿真結(jié)果，驗證設(shè)計電路的功能[3]。系統(tǒng)仿真的流程圖如圖1所示。

利用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計，可以將許多單片機(jī)應(yīng)用實例的功能和運(yùn)行過程形象化，使學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，學(xué)習(xí)效率更高。

Proteus不僅提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫和虛擬儀器儀表，而且在仿真環(huán)境下，Proteus可以靈活、高效地修改仿真電路的設(shè)計，這非常有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新的實踐精神。另外，由于沒有元器件損耗，實現(xiàn)實踐教學(xué)的零成本，同時也可大大縮短設(shè)計時間、降低工程制造的風(fēng)險，這些在傳統(tǒng)的單片機(jī)實踐教學(xué)中是無法做到的。

2 基于Proteus的單片機(jī)綜合實踐教學(xué)改革

單片機(jī)的綜合實踐教學(xué)是提高學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力和實踐技能的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。由于設(shè)計題目、硬件配置及教學(xué)周數(shù)等客觀原因，許多高校單片機(jī)綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)只進(jìn)行理論設(shè)計，這種紙上談兵的綜合實踐教學(xué)根本達(dá)不到期望的教學(xué)目標(biāo)。采用在單片機(jī)實驗箱（或?qū)嶒灠澹┥线M(jìn)行單片機(jī)綜合實踐，由于實驗箱可選擇的實踐項目有限，自身開發(fā)能力較弱，學(xué)生在有限的實踐課時內(nèi)，只能機(jī)械地按指導(dǎo)教師要求搭接電路、輸入程序、編譯運(yùn)行、查看結(jié)果，很少去思考所實踐項目的實現(xiàn)方法、設(shè)計原理，無法體現(xiàn)實踐的自主性，對于提升學(xué)生單片機(jī)綜合應(yīng)用能力十分有限，也使學(xué)生對單片機(jī)綜合實踐教學(xué)失去興趣，實踐變成走過場，效果較差。

在單片機(jī)綜合實踐的設(shè)計階段引入 Proteus虛擬仿真，學(xué)生可根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，在仿真環(huán)境下進(jìn)行電路設(shè)計、程序編寫及系統(tǒng)調(diào)試。仿真設(shè)計過程不需要任何成本，也不受時間和空間的限制，能充分發(fā)揮學(xué)生實踐自主性，留給學(xué)生更多的思考空間，對于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力有很大幫助。通過“理論設(shè)計—仿真驗證—修改完善”的反復(fù)優(yōu)化的仿真設(shè)計過程，學(xué)生可以獲得性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。依據(jù)仿真結(jié)果再進(jìn)行實物調(diào)試，其調(diào)試過程將變得游刃有余，不但大大縮短調(diào)試時間，而且能有更多精力去完善系統(tǒng)功能和思考系統(tǒng)改進(jìn)的方案。因此，將Proteus虛擬仿真技術(shù)引入單片機(jī)綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將使學(xué)生的設(shè)計結(jié)果更具說服力，極大地增強(qiáng)實踐教學(xué)效果，提高學(xué)生單片機(jī)綜合實踐技能。endprint

筆者在實施“基于自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的仿真教學(xué)研究與實踐”教學(xué)改革課題的研究過程中，改革了學(xué)生機(jī)械地跟從指導(dǎo)教師的傳統(tǒng)單片機(jī)綜合實踐方式，采用虛擬仿真和實物調(diào)試相結(jié)合的方式，要求學(xué)生使用Proteus軟件對所設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真成功后再進(jìn)行實物調(diào)試，從學(xué)生實踐效果和所提交的設(shè)計報告來看，學(xué)生的實踐主動性和實踐興趣大增，實踐效果優(yōu)化顯著，以往千篇一律的設(shè)計報告已不存在了，很多學(xué)生提出不同的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，并都附有仿真結(jié)果。

學(xué)生普遍反映Proteus是其進(jìn)行高質(zhì)量綜合實踐活動最好的幫手，并自覺地將其應(yīng)用于不同的學(xué)習(xí)活動中，如畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生電子競賽、大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技競賽、課外科技活動等。對于熟練掌握Proteus仿真技術(shù)的學(xué)生，其所完成的有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的畢業(yè)論文都附有完整的Proteus仿真結(jié)果，論文質(zhì)量較高，在學(xué)院和全國大學(xué)生電子競賽中其表現(xiàn)也十分突出。

3 Proteus在單片機(jī)綜合實踐中的應(yīng)用實例

下面以單片機(jī)控制的籃球比賽30秒倒計時器設(shè)計為例，說明Proteus軟件在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。系統(tǒng)功能與設(shè)計要求：

1）系統(tǒng)具有30 s的倒計時功能，計時間隔為1 s；

2）可記錄A、B兩隊的進(jìn)攻次數(shù)（30 s倒計時次數(shù)）；

3）可實現(xiàn)計時器的直接啟動計數(shù)和暫停/繼續(xù)計數(shù)功能；

4）通過按下復(fù)位鍵，計時器可隨時返回初始狀態(tài)（30 s）；

5）計時器遞減計數(shù)到“00”時，自動跳回“30 s”停止工作，并發(fā)出報警信號。

運(yùn)行Proteus的ISIS程序，進(jìn)入仿真軟件的主界面，點擊Library選擇Pick Device/Symbol以打開元件庫，選擇電路所需的元件并調(diào)整其相對位置，設(shè)置好元件參數(shù)，將各個元器件按設(shè)計原理圖連線。利用Keil編譯器編寫相應(yīng)程序，編譯無誤后生成.hex文件；鼠標(biāo)右擊AT89C51，在屬性對話框，將生成的.hex文件加載到51芯片中。最后點擊Play鍵進(jìn)行電路仿真。

30秒倒計時器的仿真電路原理圖及仿真結(jié)果如圖2所示。

為減小硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性和降低成本，30秒倒計時器采用動態(tài)掃描顯示方式。在AT89C51的最小系統(tǒng)上擴(kuò)展了一并行I/O接口芯片8155，8155的PA口和PC口分別經(jīng)總線驅(qū)動（74LS240、74LS244）后連接四位共陰LED數(shù)碼管。其中，PA口和LED的a、b、c、d、e、f、g、sp引線連接，輸出相應(yīng)字形碼信號；LED各控制端和PB口相連，輸出字位碼信號；四個獨(dú)立按鍵連接于PC口，分別表示A、B隊時間、倒計時啟動及暫停/繼續(xù)控制。LED數(shù)碼管顯示的仿真結(jié)果前兩位表示兩隊30 s倒計時的次數(shù)顯示，后兩位表示30 s倒計時時間顯示。

4 結(jié)語

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的Proteus仿真設(shè)計實例表明，Proteus

是一個非常好的虛擬仿真實驗平臺，利用其提供的大量仿真元件模型，如LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、AD/DA、SPI及I2C器件等，不但可以完全滿足單片機(jī)綜合實踐教學(xué)任務(wù)設(shè)置的要求，方便地完成單片機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的仿真設(shè)計，而且使學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)更具有自主性和創(chuàng)造性，也為開展更深層次、更廣領(lǐng)域的實踐教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

通過蘭州工業(yè)學(xué)院自動化專業(yè)單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程教學(xué)改革的實踐表明，使用Proteus開發(fā)環(huán)境對學(xué)生開展單片機(jī)綜合實踐訓(xùn)練，一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計效率，綜合實踐教學(xué)效果得到明顯改善；另一方面，也克服了實驗箱硬件電路固定、實踐項目難于變動的局限，以及實驗室硬件投入相對不足等問題。因此，可以說Proteus虛擬仿真技術(shù)為高校單片機(jī)課程綜合實踐教學(xué)改革提供了一條新的途徑，筆者相信其應(yīng)用前景會非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

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