【基于Proteus仿真实验室的建设】虚拟仿真实验室建设

　　摘要:现代电子产品的开发流程要求有“仿真”环节,掌握EDA技术是社会对电子技术人员的基本要求,在原有计算机硬件实验室基础上引入基于Proteus仿真实验系统,试图解决实物实验教学设备跟不上实验教学改革步伐、跟不上电子技术发展步伐的难题,为教师、学生学习、科研提供服务,降低师生教学、科研成本。
　　关键词:Proteus实验室虚拟仿真风标电子
　　
　　1 目前,包括绵阳职业技术学院在内多数职业学院电子类、计算机应用类实验室的现状是:
　　1.1 电子信息类实验室种类繁多,设备资金投入大,设备维护任务艰巨
　　如电工基础实验室、电子线路实验室、数字电路实验室、单片机实验室、微机原理及接口实验室及嵌入式系统实验室等;在每一类实验室中,设备种类多,数量大(各类信号源、测试仪器仪表、各种试验箱)。种类繁多的设备,加上分批次的学生实验,对有限的师资力量而言,有效管理和维护实验设备无疑成为艰巨的任务。
　　1.2 无法长期保持实验室的先进性,也不利于保护实验室的前期投入
　　由于现代电子技术的飞速发展,各种新设备、新器件层出不穷,这就往往造成这样一种现状,某批次实验设备刚买来不到2-3年就显得落后,基于硬件设备手段建立的实验室面临着随时可能落后的现状,要想保护前期的投资更是难上加难。
　　1.3 不利于提高实验效果
　　现有电子类实验室多数采用这样一种实验教学模式,即在规定的课时内,学生在规定的场地内,进行规定的实验,这种模式,一方面由于时间、场地、实验设备台套数的限制,往往造成学生不能有充足的时间深入了解及研究实验内容,学生对实验的兴趣也被限制所扼杀。这种固定的验证模式也限制了学生的思维空间,这种做法也背离了现代实验教学改革中提出的“优化课内,强化课外”的实验教学理念。
　　1.4 实验内容彼此孤立,不利于培养学生“从概念到产品”认识的形成
　　现有的各种电子类教学实验,基本是进行固定程式的验证式实验,实验所用的元器件,线路板已选好,学生所做的工作仅是对实验箱连连线,使用一下测试仪器、仪表,建立学生的相应概念而已。很难满足现代实验教学改革提出的三个实验层次即“基础性实验、综合性实验、创新性实验”的目标,目前的实验平台不能满足这样的训练,即:学生从有一个概念(或想法)开始,然后着手电路原理图的设计、编写程序代码、调试、PCB设计,最后形成产品的整个开发过程的训练。学生通过传统实验手段所得到的训练是片面的、局部的,其对产品开发过程的认识并不深刻,这也是导致学生所学不能所用的根本原因所在。
　　1.5 不利于开展创新性研究
　　开展创新性研究的前提是实验环境的丰富资源及其灵活可变性。但目前基于硬件的实验平台往往采取一种定式的实验或研究环境,即教师只能在有限的几种器件或线路实验板之上进行实验内容的设定或研究,学生也同样如此,这对于开展创新性研究极为不利。
　　1.6 不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力
　　学生对某一课程实验的兴趣往往需要一段较长时间的培养才能产生,但现有的课程实验由于场地不能随时、随地对学生开放,并且开放的时间也非常有限,这就不能激发学生的实验兴趣,另外其创新思维能力的培养也受到同样的限制。
　　另外,传统型电子专业课教学,大都采用课堂讲授法和实验教学法,在教学过程中只有把二者有机地结合起来,才能获得较理想的教学效果。对于一些实验条件较差的学校,特别是一些中等职业学校,由于缺少实验仪器,导致相当数量的实验,只能在“黑板”上或“书本”上进行,缺少教学的互动性环节,直接影响教学效果。传统型电子专业课教学重点在于传授教材上的理论知识,并通过实验内容来验证理论知识,而学生在学习过程中完全受教师和教材的束缚,缺少创新和学以致用的能力。
　　
　　2 Proteus实验室概念
　　利用计算机仿真技术,在计算机网络平台上,学习电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统(单片机应用系统、ARM应用系统)、微机原理与接口技术等课程,并进行电路设计、仿真、调试等通常在相应实验室完成的实验。一个计算机网络硬件平台(或一台计算机)、一套电子仿真软件,再加上一本虚拟实验教程,就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬,即为虚拟实验室的本质。
　　Proteus实验室采用Proteus仿真软件和相应的硬件平台构成一个从虚拟到实际,从软件到硬件,从概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主要用于电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统(单片机应用系统、ARM应用系统)等课程的实验、研究等。
　　2.1 Proteus的软件平台
　　Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件由英国Labcenter公司开发,风标电子作为其产品中国区总代理。提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等,而且可以仿真嵌入式系统的实验,其最大的特色在于可以提供嵌入式系统(单片机应用系统、ARM应用系统)的仿真实验,这也是其它任何仿真软件无力所及的。
　　2.2 Proteus实验室系统结构
　　Proteus实验室系统结构如图1所示。
　　
　　图1 Proteus实验室系统结构
　　基于Proteus实验室架构,基础型实验层次可提供电路分析(电工基础)实验室、模拟电路实验室、数字电路实验室、单片机实验室、微机原理与接口实验室及嵌入式系统(ARM7)实验室。
　　为配合虚拟实验平台,风标电子已完成的高校产品有:Proteus教学实验系统单片机A型、B型;Proteus ARM实验系统I型、Ⅱ型;Proteus单片机实验系统E型;Proteus8086微机原理与接口技术实验系统;综合创新实验箱;近期将完成的Proteus电工技术教学实验系统、Proteus数/模电教学实验系统、传感检测实验与实训系统、楼宇控制实验与实训系统、PIC8位/16位/32位实验箱与实验板及通用嵌入式实验平台。
　　2.3 网络平台
　　Proteus软件有两种类型:单机版、网络版。
　　为了实现Proteus实验室的开放性,使更多的师生能使用该平台,充分发挥Proteus实验室多学科实验覆盖的特点,Proteus服务器必须放在最多人能访问的位置:学校网络中心,这时,Proteus服务器必须采用专业服务器,并配备网络服务器操作系统,满足不同类型客户端的7×24小时访问的需求。
　　采用网络版配置,将一个USB加密狗安装在服务器上,并锁定相应的用户数,在校园网范围内的PC机都可以得到授权并进行仿真和实验,但同时在线的客户端总数不能超过已购买的总授权用户数;采用网络版的Proteus,可真正实现实验室的虚拟化、网络化以及实验室的开放。
　　网络版拓扑结构如图2所示。
　　3 基于Proteus实验室的实验例子
　　在以工程设计为主的课程,在讲述工程设计方法和设计流程时要涉及到开发环境、开发工具的使用,如果按照以往先在课堂讲授,再到实验室做实验的教学方法,不仅会使学生感觉枯燥无味、不易掌握,而且在实验之前还要再花费时间复习。因此,我们按照“做中学”(learning by doing)的教学理念,这种教学理念旨在强化工程学科的学生的实践能力和工程素养。
　　例如我们学习半导体二极管及其简单应用时,有一例子如图3所示,已知输入电压 , ,二极管D的正向压降忽略不计。画出输出电压 的波形图。仿真分析:
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　数字电路中,我们学习七段显示译码器74LS48(74LS48是一种与共阴极数码管配合使用的集成译码器)时,在学完其真值表后,教师在投影教学中马上做出图4来进行测试验证,学生感觉很直观和生动。
　　Proteus在单片机应用技术课程中应用实例:
　　Proteus软件独特的虚拟仿真技术,很好的解决了单片机外围电路的设计和协同仿真问题,使得单片机的学习和应用过程变得容易和简单。下图5是学生参考网络资源设计并制作的STC89c51+LCD1602+DS1302+18B20,用于实时显示时间采集温度的小制作,软件设计平台KeilC51。曾在09年禽流感肆虐的期间为同学测量体温,这种“做中学”、学以致用、学能所用的理念受到同学、老师的好评。
　　为了让学生的训练不脱离实际,给学生提供硬件仿真和验证的机会,我们的做法是:学生自己绘制原理图,自己编制程序,在仿真软件里首先调试通过,调试通过后,将自己编译好的程序用编程器去烧录,然后安装到目标实验板去观察运行结果,如果有问题,再连接硬件仿真器去调试、分析。基于以上分析,我们在硬件的配置上有:在原有的伟福Lab6000型、AEDK589等实验平台的基础上,再配置单片机E型10 套(风标电子提供),支持51单片机、AVR单片机及PIC单片机;ARM7实验系统10套;20M 通用示波器5 台,相关的芯片若干。
　　这样我们用有限的资金解决了单片机、嵌入式实验室的建设问题,对于经费紧张的学校有一定的借鉴价值。
　　结合我校的“数字化校园”建设,实现Proteus在我校校园网内为师生提供服务,使得师生不需要到实验室也能进行仿真实验。
　　
　　4结语
　　通过和Proteus平台提供商的合作,Proteus仿真实验室为学院电路基础、模拟电子、数字电路、单片机实验、微机原理实验、嵌入式系统实验等课程加入仿真教学内容提供了必要的基础,解决了实物实验教学设备跟不上实验教学改革步伐的难题,解决了实物教学设备跟不上电子技术发展步伐的难题,将这种平台引入多媒体教学,其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性,极大地激发了学生的学习兴趣,突出教学重点、突破教学难点。继而陆续有同学积极备战“大学生Proteus仿真竞赛”,积极参与“PAEE”(Proteus application electrics engine 英国Labcenter公司授权电子工程师认证系统,企业电子人才选定的参考标准之一)。
　　
　　参考文献
　　[1] 2009年度高校Proteus交流年会.
　　[2] Proteus大学计划回顾与展望(风标电子)2009.12.
　　[3] 徐爱钧.Proteus虚拟仿真在精品课程建设的应用 2009.12.
　　[4] 杨炼.基于Proteus的实验教学系统2009.12.
　　[5] 杨居易,马宁,靳光明.《单片机原理与工程应用》2009.
　　[6] 靳光明.绵阳职业技术学院计算机科学系Proteus仿真实验室建设规划.
　　
　　①作者简介:
　　靳光明 1967.11讲师、工程师,学士。从事计算机原理、单片机、嵌入式教学及科研工作。
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