Proteus在電子實(shí)踐教學(xué)課程中應用的研究論文
[摘要]本文介紹了PROTEUS軟件在實(shí)踐教學(xué)中的重要作用，闡述了該仿真軟件的優(yōu)勢，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明虛擬仿真在電子設計方面的應用。
[關(guān)鍵詞]Proteus 軟件 仿真 實(shí)踐教學(xué)
一、前言
伴隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗室應運而生，將計算機仿真技術(shù)引入電子線(xiàn)路課程設計教學(xué)之中，是對傳統實(shí)踐教學(xué)和電子電路設計的重大突破。先在計算機上進(jìn)行虛擬設計、仿真，然后將結果應用到實(shí)際電路之中，既降低了設計成本，又縮短了整個(gè)設計的周期，從而提高了效率。作為傳統實(shí)驗的重要補充，虛擬實(shí)驗豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段，有利于現代實(shí)驗教學(xué)觀(guān)念的更新。例如，對于嵌入式系統開(kāi)發(fā)的愛(ài)好者而言，往往沒(méi)有足夠的資金購買(mǎi)昂貴的開(kāi)發(fā)板來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這時(shí)可以選擇通過(guò)軟件仿真來(lái)學(xué)習嵌入式系統開(kāi)發(fā)。Proteus 是目前最好的能夠虛擬嵌入式系統開(kāi)發(fā)中常用的處理器和外圍器件的EDA 工具。另外，仿真技術(shù)在電子線(xiàn)路課程設計中的應用提高了學(xué)生綜合分析電路的能力和開(kāi)發(fā)設計的能力，為今后更高層次的設計和實(shí)踐打下基礎。
二、PROTEUS 軟件簡(jiǎn)介
PROTEUS軟件由Labcenter公司開(kāi)發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統設計與仿真平臺，可以實(shí)現數字電路、模擬電路及微控制器系統與外設的混合電路系統的電路仿真、軟件仿真、系統協(xié)同仿真和PCB設計等功能，是目前唯一能夠對各種處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調試與測試的EDA工具。微控制器系統相關(guān)的仿真需建立編譯和調試環(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(shí)還支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設計。它的界面友好易學(xué)，在調試程序、軟件仿真方面有很強大的功能。
Proteus VSM的核心是ProSPICE，這是一個(gè)組合了SPICE3f5模擬仿真器核和基于快速事件驅動(dòng)的數字仿真器的混合的仿真系統, SPICE 內核的使用使您能采用數目眾多的供應廠(chǎng)商提供的SPICE 模型, 目前該軟件包包含有約6500個(gè)模型。Proteus VSM包含大量的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、函數發(fā)生器、數字信號波型發(fā)生器、時(shí)鐘計數器、虛擬終端以及簡(jiǎn)單的電壓計、電流計。此外仿真器能通過(guò)色點(diǎn)來(lái)顯示每個(gè)管腳的狀況，這點(diǎn)在單步調試I/O 碼時(shí)絕對非常有用。
Proteus VSM最主要的特點(diǎn)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， 它仿真執行目標碼， 就像在真正的單片機系統上。如果程序代碼向一個(gè)外設口寫(xiě), 電路中邏輯電平會(huì )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(shí)系統一樣。
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。在3G 的PC 環(huán)境下可以做10MIPS 的仿真�？梢匝b載ELF/DWARF2 格式文件進(jìn)行源碼調試�？梢岳肐AR Embedded Workbench 和KeilUV3 與PROTEUS 進(jìn)行聯(lián)調。這個(gè)軟件包包括: ISIS 原理圖輸入系統。PROSPICE 交互式仿真引擎。LPC2000 系列處理器模型。ARM7TDMI 和ARM7TDMI－S 內核模型�？梢杂酶呒増D形仿真工具來(lái)做基于圖表的仿真。由PROTEUS VSM仿真通過(guò)的設計可以直接導入到ARES 中進(jìn)行PCB 設計。
三、PROTEUS 軟件仿真的優(yōu)勢
采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗, 具有比較明顯的優(yōu)勢,如涉及到的電子元件豐富、實(shí)驗內容全面、硬件投入少、實(shí)驗過(guò)程中安全、損耗小、與工程實(shí)踐最為接近等。
1．電子元件豐富，內容全面
Proteus軟件提供了數千種元器件，它能實(shí)驗的內容包括軟件部分的匯編、C 等語(yǔ)言的調試過(guò)程,也包括硬件接口電路中的大部分類(lèi)型。對同一類(lèi)功能的接口電路, 可以采用不同的硬件來(lái)搭建完成, 可以擴展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習興趣。該軟件可以加快電路系統開(kāi)發(fā)的速度，節約開(kāi)發(fā)成本，提高開(kāi)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(shí)該軟件所提供的儀表, 不管在質(zhì)量還是數量上, 都是可靠和經(jīng)濟的。如果在實(shí)驗教學(xué)中投入這樣的真實(shí)的儀器儀表, 僅儀表的維護來(lái)講, 其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進(jìn)行教學(xué), 其經(jīng)濟優(yōu)勢是比較明顯的。
3．接近實(shí)踐，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力
采用仿真軟件后, 學(xué)習的投入變得比較的小, 而實(shí)際工程問(wèn)題的研究, 也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過(guò), 再進(jìn)行硬件的投入,這樣處理, 不僅省時(shí)省力, 也可以節省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。最后將仿真調試成功的電路移植到一個(gè)具體的硬件電路中進(jìn)行測試。將仿真軟件和具體的工程實(shí)踐如何結合起來(lái), 利于對工程實(shí)踐過(guò)程的了解和學(xué)習。
4．實(shí)驗過(guò)程中安全，儀器多、損耗小
采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行的實(shí)驗教學(xué),可以將大量教學(xué)信息直接地表現出來(lái),節約大量昂貴的實(shí)驗儀器費用,調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性和主動(dòng)性,為實(shí)踐性教學(xué)設計過(guò)程帶來(lái)了很大的靈活性,并且打破了空間和時(shí)間的限制,避免真實(shí)實(shí)驗或操作所帶來(lái)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(shí)所造成的能源消耗的問(wèn)題。
5．采用多媒體教學(xué)，豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段
在教學(xué)上虛擬實(shí)驗采用局域網(wǎng)多媒體教學(xué)，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現教師機對學(xué)生機同步演示電路圖并講解其原理，學(xué)生根據電路原理圖在虛擬實(shí)驗系統提供的元件庫中找到相應的虛擬元件。實(shí)驗完成后將數據輸入到電子實(shí)驗報告系統中，自動(dòng)生成實(shí)驗報告，教師再通過(guò)主機將每位學(xué)生的實(shí)驗報告收上來(lái)進(jìn)而完成整個(gè)實(shí)驗教學(xué)。
四、教學(xué)實(shí)例
1
�。赑roteus 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布局好, 同時(shí)編輯好元件的參數, 接著(zhù)進(jìn)行連線(xiàn), 添加必要的網(wǎng)絡(luò )標號等步驟。
2．編寫(xiě)程序
(1)對于匯編語(yǔ)言，可直接在Proteus軟件平臺編寫(xiě)、編譯程序，再把產(chǎn)生HEX 文件導入到AT89C51中。
(2)也可打開(kāi)第三方軟件Keil Vision3, 新建項目, 選擇微處理芯片, 然后編寫(xiě)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 ;數據通信口
WDLSB DATA 30H ;讀出的溫度低字節
WDMSB DATA 31H ;讀出的溫度高字節
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(méi)有應答，返回主程序
MOV R0,#0CCH
LCALL SEND_BYTE ;跳過(guò)ROM匹配
MOV R0,#44H ;發(fā)出溫度轉換命令
LCALL SEND_BYTE
SETB EA
MOV P1,#00001111B
MOV 48H,#1 ;延時(shí)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(guò)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．電路的調試與仿真
對于匯編語(yǔ)言程序可直接在Proteus平臺編譯、仿真和調試程序，如果采用第三方軟件Keil編程（C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）可按照以下步驟進(jìn)行仿真調試。
(1) 打開(kāi)Proteus 繪制電路圖, 在A(yíng)T89C51 中導入在Keil平臺中編譯出的HEX 文件,選中Use Remote Debug Monitor。
(2)在Keil 中選擇調試,可順序和單步運行程序, 調出Proteus ISIS 界面, 在Debug 菜單下選擇Virtual Terminal, 打開(kāi)虛擬終端, 在鍵盤(pán)上按鍵, 在虛擬終端窗口中就會(huì )顯示相應的字符，調節虛擬的溫度傳感器（DS18B20）溫度，就可在數碼管中顯示準確的溫度值。
五、結束語(yǔ)
Proteus仿真與傳統的實(shí)驗教學(xué)相比,虛擬實(shí)驗教學(xué)方法效率更高、互動(dòng)性更好。傳統實(shí)驗是在實(shí)驗箱進(jìn)行，實(shí)驗室提供的儀器和實(shí)驗箱上提供的元件有限，只能完成一些常規實(shí)驗。而在虛擬實(shí)驗平臺上提供了大量的虛擬儀器和電子元件供學(xué)生使用,這樣就可以在虛擬實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造性，這是傳統實(shí)驗教學(xué)無(wú)法比擬的。
參考文獻：
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[2]代啟化.proteus 在單片機電路系統設計中的應用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2006，(6).
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