Proteus在電子實踐教學課程中應用的研究論文
[摘要]本文介紹了PROTEUS軟件在實踐教學中的重要作用，闡述了該仿真軟件的優(yōu)勢，通過實例說明虛擬仿真在電子設計方面的應用。
[關鍵詞]Proteus 軟件 仿真 實踐教學
一、前言
伴隨著計算機技術的迅猛發(fā)展虛擬仿真實驗室應運而生，將計算機仿真技術引入電子線路課程設計教學之中，是對傳統(tǒng)實踐教學和電子電路設計的重大突破。先在計算機上進行虛擬設計、仿真，然后將結(jié)果應用到實際電路之中，既降低了設計成本，又縮短了整個設計的周期，從而提高了效率。作為傳統(tǒng)實驗的重要補充，虛擬實驗豐富了實踐性教學的手段，有利于現(xiàn)代實驗教學觀念的更新。例如，對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的愛好者而言，往往沒有足夠的資金購買昂貴的開發(fā)板來進行開發(fā)，這時可以選擇通過軟件仿真來學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。Proteus 是目前最好的能夠虛擬嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的處理器和外圍器件的EDA 工具。另外，仿真技術在電子線路課程設計中的應用提高了學生綜合分析電路的能力和開發(fā)設計的能力，為今后更高層次的設計和實踐打下基礎。
二、PROTEUS 軟件簡介
PROTEUS軟件由Labcenter公司開發(fā)，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設計與仿真平臺，可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設計等功能，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N處理器進行實時仿真、調(diào)試與測試的EDA工具。微控制器系統(tǒng)相關的仿真需建立編譯和調(diào)試環(huán)境，可選擇Keil C51uVision2 軟件。該軟件支持眾多不同公司的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設計。它的界面友好易學，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強大的功能。
Proteus VSM的核心是ProSPICE，這是一個組合了SPICE3f5模擬仿真器核和基于快速事件驅(qū)動的數(shù)字仿真器的混合的仿真系統(tǒng), SPICE 內(nèi)核的使用使您能采用數(shù)目眾多的供應廠商提供的SPICE 模型, 目前該軟件包包含有約6500個模型。Proteus VSM包含大量的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字信號波型發(fā)生器、時鐘計數(shù)器、虛擬終端以及簡單的電壓計、電流計。此外仿真器能通過色點來顯示每個管腳的狀況，這點在單步調(diào)試I/O 碼時絕對非常有用。
Proteus VSM最主要的特點是它能把微處理器軟件作用在處理器上并和連接該微處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真。微處理器模型和其它器件的模型一道駐留在原理設計中， 它仿真執(zhí)行目標碼， 就像在真正的單片機系統(tǒng)上。如果程序代碼向一個外設口寫, 電路中邏輯電平會相應變化， 如果電路改變了微處理器管腳的'狀態(tài)， 這些也可以在您的程序代碼中看到，如同真實系統(tǒng)一樣。
PROTEUS VSM FOR ARM/LPC2000 包含做PHILIPS 公司LPC2000 系列設計仿真所需的一切。支持ARM和THUMB 指令集。支持片上外設：GPIO, timers, RTC, UARTS, SPI, I2C, MAM,PLL, ADC and watchdog timer 等。支持VIC 中斷子系統(tǒng)。在3G 的PC 環(huán)境下可以做10MIPS 的仿真。可以裝載ELF/DWARF2 格式文件進行源碼調(diào)試。可以利用IAR Embedded Workbench 和KeilUV3 與PROTEUS 進行聯(lián)調(diào)。這個軟件包包括: ISIS 原理圖輸入系統(tǒng)。PROSPICE 交互式仿真引擎。LPC2000 系列處理器模型。ARM7TDMI 和ARM7TDMI－S 內(nèi)核模型。可以用高級圖形仿真工具來做基于圖表的仿真。由PROTEUS VSM仿真通過的設計可以直接導入到ARES 中進行PCB 設計。
三、PROTEUS 軟件仿真的優(yōu)勢
采用Proteus 仿真軟件進行虛擬實驗, 具有比較明顯的優(yōu)勢,如涉及到的電子元件豐富、實驗內(nèi)容全面、硬件投入少、實驗過程中安全、損耗小、與工程實踐最為接近等。
1．電子元件豐富，內(nèi)容全面
Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件，它能實驗的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C 等語言的調(diào)試過程,也包括硬件接口電路中的大部分類型。對同一類功能的接口電路, 可以采用不同的硬件來搭建完成, 可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。該軟件可以加快電路系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)約開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。
2．硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯
Proteus 所提供的元件庫中, 大部分可以直接用于接口電路的搭建, 同時該軟件所提供的儀表, 不管在質(zhì)量還是數(shù)量上, 都是可靠和經(jīng)濟的。如果在實驗教學中投入這樣的真實的儀器儀表, 僅儀表的維護來講, 其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學, 其經(jīng)濟優(yōu)勢是比較明顯的。
3．接近實踐，提高解決實際工程問題的能力
采用仿真軟件后, 學習的投入變得比較的小, 而實際工程問題的研究, 也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過, 再進行硬件的投入,這樣處理, 不僅省時省力, 也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。最后將仿真調(diào)試成功的電路移植到一個具體的硬件電路中進行測試。將仿真軟件和具體的工程實踐如何結(jié)合起來, 利于對工程實踐過程的了解和學習。
4．實驗過程中安全，儀器多、損耗小
采用Proteus 仿真軟件進行的實驗教學,可以將大量教學信息直接地表現(xiàn)出來,節(jié)約大量昂貴的實驗儀器費用,調(diào)動學生的學習積極性和主動性,為實踐性教學設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,則不存在因操作不當而造成的元器件和儀器儀表的損毀, 也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗的問題。
5．采用多媒體教學，豐富了實踐性教學的手段
在教學上虛擬實驗采用局域網(wǎng)多媒體教學，通過局域網(wǎng)實現(xiàn)教師機對學生機同步演示電路圖并講解其原理，學生根據(jù)電路原理圖在虛擬實驗系統(tǒng)提供的元件庫中找到相應的虛擬元件。實驗完成后將數(shù)據(jù)輸入到電子實驗報告系統(tǒng)中，自動生成實驗報告，教師再通過主機將每位學生的實驗報告收上來進而完成整個實驗教學。
四、教學實例
1
．在Proteus 軟件平臺中繪制原理圖
Proteus 軟件繪制原理圖先從軟件包的器件庫里取出所需的元件符號并在繪圖區(qū)布局好, 同時編輯好元件的參數(shù), 接著進行連線, 添加必要的網(wǎng)絡標號等步驟。
2．編寫程序
(1)對于匯編語言，可直接在Proteus軟件平臺編寫、編譯程序，再把產(chǎn)生HEX 文件導入到AT89C51中。
(2)也可打開第三方軟件Keil Vision3, 新建項目, 選擇微處理芯片, 然后編寫程序, 編譯源程序。產(chǎn)生HEX 文件, 并選中Use Proteus VSM Simulator。該溫控電路主要程序如下：
******************************************
DAT BIT P2.0 ;數(shù)據(jù)通信口
WDLSB DATA 30H ;讀出的溫度低字節(jié)
WDMSB DATA 31H ;讀出的溫度高字節(jié)
MAIN: MOV SP,#60H
MOV P2,#0FFH
MOV R2,#8
MOV R0,#40H ;
OVER: MOV @R0,#00H;清顯示緩沖
INC R0
DJNZ R2,OVER
MOV TMOD,#21H;T0=16B Counter,T1=8B autoload
MOV TH1,#0FDH;串口波特率9600@11.0592M
MOV TL1,#0FDH
MOV SCON,#50H;串口方式1: 8,N,1
MOV PCON,#00H
MOV TH0,#LOW(65535-10000)
MOV TL0,#HIGH(65535-10000)
SETB EA
SETB ET0
SETB TR1
SETB TR0
LOOP: LCALL DSWD ;調(diào)用讀出DS18B20溫度程序
SJMP LOOP ;讀出DS18B20溫度程序
DSWD:
CLR EA
LCALL RSTSNR
JNB F0,KEND ;如果沒有應答，返回主程序
MOV R0,#0CCH
LCALL SEND_BYTE ;跳過ROM匹配
MOV R0,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令
LCALL SEND_BYTE
SETB EA
MOV P1,#00001111B
MOV 48H,#1 ;延時75ms以上準備讀
SS2: MOV 49H,#255
SS1: MOV 4AH,#255
SS0: DJNZ 4AH,SS0
DJNZ 49H,SS1
DJNZ 48H,SS2
MOV P1,#11111100B
CLR EA
LCALL RSTSNR
JNB F0,KEND
MOV R0,#0CCH ;跳過ROM匹配
LCALL SEND_BYTE
MOV R0,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令
LCALL SEND_BYTE
LCALL READ_BYTE
MOV WDLSB,A
LCALL READ_BYTE
MOV WDMSB,A
LCALL TRANS12
KEND: SETB EA
RET
******************************************
3．電路的調(diào)試與仿真
對于匯編語言程序可直接在Proteus平臺編譯、仿真和調(diào)試程序，如果采用第三方軟件Keil編程（C語言或匯編語言）可按照以下步驟進行仿真調(diào)試。
(1) 打開Proteus 繪制電路圖, 在AT89C51 中導入在Keil平臺中編譯出的HEX 文件,選中Use Remote Debug Monitor。
(2)在Keil 中選擇調(diào)試,可順序和單步運行程序, 調(diào)出Proteus ISIS 界面, 在Debug 菜單下選擇Virtual Terminal, 打開虛擬終端, 在鍵盤上按鍵, 在虛擬終端窗口中就會顯示相應的字符，調(diào)節(jié)虛擬的溫度傳感器（DS18B20）溫度，就可在數(shù)碼管中顯示準確的溫度值。
五、結(jié)束語
Proteus仿真與傳統(tǒng)的實驗教學相比,虛擬實驗教學方法效率更高、互動性更好。傳統(tǒng)實驗是在實驗箱進行，實驗室提供的儀器和實驗箱上提供的元件有限，只能完成一些常規(guī)實驗。而在虛擬實驗平臺上提供了大量的虛擬儀器和電子元件供學生使用,這樣就可以在虛擬實驗教學過程中激發(fā)學生的創(chuàng)造性，這是傳統(tǒng)實驗教學無法比擬的。
參考文獻：
[1]許文斌.proteus 軟件在單片機系統(tǒng)仿真實驗教學中的應用[J].商業(yè)經(jīng)濟，2006，(3).
[2]代啟化.proteus 在單片機電路系統(tǒng)設計中的應用[J].自動化與儀器儀表，2006，(6).
[3]周潤景，張麗娜.基于Proteus 的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006.5.
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