利用Proteus软件构建单片机虚拟仿真实验室

总第２６７期
２０１２年第１期
计算机与数字工程
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　＆Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１
１５４
利用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件构建单片机虚拟仿真实验室＊
徐小栋　胡　春　董守昆　范端云　郭再云
（云南能源职业技术学院　曲靖　６５５００１）
摘　要　从分析传统单片机实验室的利弊入手，阐述了为何需要构建虚拟仿真实验室，并提出了利用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件构建单片机虚拟仿真实验室的框架和构建方案。

根据Ｐｒｏｔｅｕｓ实验平台的特点，论述了单片机虚拟仿真实验的内容构成及实验方法，通过将软件仿真和实物实验装置相结合的方式，达到提高教学的质量和效率，为学生提供具有创造性学习环境的目的。

关键词　Ｐｒｏｔｅｕｓ；单片机；虚拟仿真；实验教学；实验室
中图分类号　ＴＰ３９１．９
Ｍａｋｉｎｇ　Ｕｓｅ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ“Ｐｒｏｔｅｕｓ”ｔｏ　Ｂｕｉｌｄ　ＭＣＵ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ
ＸＵ　Ｘｉａｏｄｏｎｇ　ＨＵ　Ｃｈｕｎ　ＤＯＮＧ　Ｓｈｏｕｋｕｎ　ＦＡＮ　Ｄｕａｎｙｕｎ　ＧＵＯ　Ｚａｉｙｕｎ
（Ｙｕｎｎａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｑｕｊｉｎｇ　６５５００１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｌａｂ，ｔｈｉｓ　ｅｓｓａｙ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｗｈｙ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ａｎｄ　ａ　ｐｌａｎ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ＭＣＵ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｌａｂｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ＂Ｐｒｏｔｅｕｓ＂．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ＂Ｐｒｏｔｅｕｓ＂，ｔｈｅ　ｅｓｓａｙ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ＭＣＵ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｅｒｓ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｙ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｃｒｅａｔｉｖｅ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｅｎ－ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｐｒｏｔｅｕｓ，ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
Ｃｌａｓｓ　Ｎｕｍｂｅｒ　ＴＰ３９１．９
１　引言
单片机由于体积小，重量轻，具有高度的灵活性且价格低廉，具有逻辑判断、定时计数等多种功能，被广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备的智能化管理和过程控制等领域。

以单片机为核心的嵌入式系统已经成为目前电子设计最活跃的领域之一。

无论是５１系列、ＡＶＲ、ＡＲＭ、还是ＰＩＣ系列单片机，在工业领域都得到了非常广泛的应用。

目前，在很多高等职业学院的电子类和计算机类相关专业中都开设了不同类型的单片机课程及相关的实验和综合设计。

但在学习单片机应用系统开发过程中，由于实验实训开支较大，单片机的理论与实践教学存在诸多问题。

作为一门实践性很强的学科，单片机实践性教学需要很多硬件设备，如ＰＣ、仿真器、实验电路、教学实验箱、编程器等［１］。

如果要组建一个单片机实验室，则需要专门的场地，并购买多套相关的硬件设备。

在设备的使用过程中还必须对设备进行不断的维护，即必须投入一定的人力和物力来维持设备的正常运行，因此使用成本比较高。

使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行虚拟仿真实验，学生可以按照自己的思路去设计单片机应用系统，完成绝大多数软、硬件实验，不受实验电路、教学实验箱等硬件设备的限制，能充分调动学生的学习积极性
和创造性。

总之，利用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件构建虚拟仿真实验室，无论是从设备的成本投入、设备的管理和维护方面，还是有利培养学生的能力方面，以及可开设实验的多样性方面，都比传统实验室有更多的优势。

Ｐｒｏｔｅｕｓ软件构建的虚拟仿真实验室具有多功能性，开放性，创新性，先进性，便于管理和维护，投入低、回报高等优势［２］。

２　虚拟仿真实验室的结构
２．１　Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室概念
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，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，以及相关的虚拟实验教程，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虚拟仿真实验室采用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
＊收稿日期：２０１１年７月５日，修回日期：２０１１年８月２５日
基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（编号：０９Ｃ０４２）资助。

作者简介：徐小栋，男，副教授，研究方向：计算机应用技术。

胡春，男，工程硕士，讲师，研究方向：计算机应用技术。

董守昆，男，高级讲师，研究方向：电子与电气工程。

范端云，男，助教，研究方向：自动控制工程。

郭再云，男，高级讲师，研究方向：汽车维修。

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统）等课程的实验、研究等。

２．２　Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室系统结构［３
］
Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室系统结构如图１所示，
以建立在计算机网络平台上的Ｐｒｏｔｅｕｓ软件平台为基础，构建出整个Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统的综合设计与创新实训平台。

在Ｐｒｏ－ｔｅｕｓ实验系统中，
从原理图设计、单片机编程、系统仿真到ＰＣＢ设计一气呵成，
真正实现了从概念到产品的完整设计。

图１　Ｐｒｏｔｅｕｓ实验室系统结构图
２．２．１　计算机网络平台
由图１可知，Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统是建立在计算机网络平台上的。

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服务器须放在学校网络中心（如图２所示）。

Ｐｒｏｔｅｕｓ服务器必须采用专业服务器，满足不同类型客户端的７×２４小时访问的需求。

图２　Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统所需的计算机网络平台
２．２．２　Ｐｒｏｔｅｕｓ软件平台
Ｐｒｏｔｅｕｓ是一种功能强大的电子设计自动化软件，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，
而且还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，例如，可以仿真５１系列、ＡＶＲ、ＰＩＣ、ＡＲＭ、Ｍｏ－
ｔｏｒｏｌａ的６８系列等常用的ＭＣＵ，并提供周边设备的仿真，如３７３、ｌｅｄ、示波器等。

Ｐｒｏｔｅｕｓ提供了大量的元件库，有ＲＡＭ、ＲＯＭ、键盘、马达、ＬＥＤ、ＬＣＤ、ＡＤ／ＤＡ、部分ＳＰＩ器
件、部分ＩＩＣ器件等。

在编译方面，Ｐｒｏｔｅｕｓ支持Ｋｅｉｌ和
ＭＰＬＡＢ等多种编译器［４］。

２．２．３　Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统
作为Ｐｒｏｔｅｕｓ实验室的一部分，为了促进Ｐｒｏｔｅｕｓ在教学上的应用，增强学生的感官认知，应配置少量的设计验证系统硬件。

教学实验首先是利用Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件绘制原理图，
编制程序，并在仿真软件里调试通过，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，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［５］。

通过Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真设计软件与硬件实
验系统的结合，
使抽象的电子教学形象化、具体化，既提高了学生的学习兴趣也提高了课程实验的效率，更加使学生理解和掌握了从概念到产品的完整过程，从而开辟了单片机实验课程的崭新教学模式。

Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统由实验指导书、
实验板（套件）、教学课件以及相应示例的设计文档（源程序＋Ｐｒｏｔｅｕｓ设计文件）
组成。

３　单片机虚拟仿真实验的内容构成
为了充分发挥Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的动态仿真优势，
通过对《单片机原理与应用》课程教学内容的研究和分析，针对教学知识点的拆分和综合，可将单片机仿真实验的内容可分为三个层次：即基础性实验、综合性实验、创新性实验，如图
３所示［６～８］。

图３　单片机仿真实验的内容构成
基础性实验以验证性实验和培养学生操作能力为主，综合性实验以设计性实验和培养学生综合性设计能力为主，
创新性实验以课程设计和培养学生创新思维设计能力为主。

基础性实验主要是对单片机系统相关课程中的基础实验进行仿真设计及设计验证，其目的在于使学生掌握课程中所讲述的单片机原理及接口技术，并学会使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件平台，培养学生使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行仿真设计的能力；综合性实验是在学生学习完单片机系统相关课程的某个学习单元的基础上，开设的综合性练习实验，实验指导教师可针对某一类型的ＭＣＵ，
给定一个设计性的实验题目，学生按照设定题目内容开展电路图设计、代码的编写、仿真
１５６　
徐小栋等：利用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件构建单片机虚拟仿真实验室第４０卷
调试、ＰＣＢ设计、制作ＰＣＢ、验证ＰＣＢ设计等过程。

创新性实验是在学生学习完成单片机系统相关课程的基础上，开展的课程设计类或毕业设计类实训，
指导教师或学生可按照自己的想法或兴趣进行相应的设计或研究，也可以作为校企合作开发与研制新产品的平台。

由于在Ｐｒｏｔｅｕｓ软件平台上，一个产品项目可以做到从原理图设计、单片机编程、系统仿真到ＰＣＢ设计的完整过程，实现从概念到产品的完整设计。

而完整的工作过程包括资讯、计划、决策、实施、检查、评估６个环节，项目化教学主要有四个步骤：１）描述工作任务，包括该工作任务在工作体系中的功能、
地位；完成该工作任务所需要的设备、工具、材料等条件，通过描述工作任务，把学生逐步导向工作体系。

２）教师演示并讲解相关理论知识，即由教师根据工作任务，现场演示产品的制作过程，加深学生的感性认识；同时围绕工作任务的完成阐述相关理论知识，引导学生在完成工作任务的过程中建构理论知识。

３）项目的实施，由学生动手进行设计与制作，最终完成项目。

４）师生总结与评价，对学生完成的产品，由学生从外观、产品制作水平、质量要求等方面进行相互比较，找出各自的优缺点，然后由教
师点评［９］。

因此，引入Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验系统后的单片
机系统相关课程，非常适应于采用基于工作过程的项目式教学模式，利于单片机系统课程开展基于工作过程的项目
化课程教学改革［
１０］。

４　Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室的实验方法
在传统的单片机实验中，硬件部分绝大数都是已经成形的实验电路板或实验箱，
基本不存在硬件电路设计，而软件的设计与调试都是基于物理硬件板为基础的，因此实验多为验证性实验。

而基于Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真平台的单片机实验，可以进行硬件电路的设计和软件的开发，所有的硬件设计调试与软件开发、系统验证都是在仿真平台上进行，对硬件的设计错误的修正如同对软件的修改一样简单，
大大节省了开发的成本和时间。

基于Ｐｒｏｔｅｕｓ实验室的实验与实训流程如图４所示。

图４　基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的实验实训流程
实验与实训都是基于Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真平台的，所有的实验都先在仿真平台上进行，借助仿真平台的各种调试与测试工具充分了解实验过程的技术细节，并完成整个仿真实验过程，并以此为基础在真正的硬件平台上下载代码并运行，对比实际的运行结果，体会从虚拟到现实，从软件到硬件，从设计到完成的整个过程。

５　Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室可以实现的教
学目标
Ｐ
ｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验室可实现以下几项教学目标：１）实现实验教学系统改革的目标。

构建综合型实验、开放型实验室、创新型实验室等，使得电子类实验教学系统发生根本性的改变。

在Ｐｒｏｔｅｕｓ实验室平台上，能仿真电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验、仿真嵌入式系统的实验等。

用户可以不受传统实验室在时间、空间、及实验内容上的限制，
跨越时间、空间及实验内容的约束。

２）实现课程教学模式改革的目标。

引入Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验系统后，非常利于开展基于工作过程的项目化课程教学改革。

如采用“
理论与实践一体化”的教学模式，实行“项目引导－任务驱动”教学模式，以工作情境为支撑，以工作结构为框架，
融“教、学、做”为一体，实现课程教学与学生就业岗位最大限度的对接。

３）实现个性化培养目标。

Ｐｒｏｔｅｕｓ实验系统采用虚拟仿真软件和实物验证相结合的实验模式，实验内容更加灵活，不同学校可根据具体培养目标合理设置实验内容。

基础性实验以培养学生操作能力；综合性实验以培养学生综合性设计能力；创新性实验以培养学生创新性能力。

６　结语
构建基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机虚拟仿真实验平台，既可充分利用学校计算机房的现有设备，减少实验设备的硬件投入及维护工作量，又可以帮助学生更好、更快地掌握理论教学内容，加深对概念、原理的理解。

学生通过仿真实验，可以熟悉单片机系统开发方法，
明显提高学生的综合设计能力及创新开发能力。

引入Ｐｒｏｔｅｕｓ虚拟仿真实验，有利于促成课程和教学改革，更有利于具备工程实践能力的应用性人才的培养。

在本文的写作过程中，得到了广州市风标电子技术有限公司的大力支持，该公司的叶玲女士和蔡章斌先生为本文中关于Ｐｒｏｔｅｕｓ实验平台建设的论述提供了相关材料，在此表示衷心感谢。

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