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軟體在實踐教學中的重要作用，闡述了該模擬軟體的優勢，通過例項說明虛擬模擬在電子設計方面的應用。

[關鍵詞]Proteus 軟體 模擬 實踐教學

一、前言

伴隨著計算機技術的迅猛發展虛擬模擬實驗室應運而生，將計算機模擬技術引入電子線路課程設計教學之中，是對傳統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、模擬，然後將結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週期，從而提高了效率。作為傳統實驗的重要補充，虛擬實驗豐富了實踐性教學的手段，有利於現代實驗教學觀念的更新。例如，對於嵌入式系統開發的愛好者而言，往往沒有足夠的資金購買昂貴的開發板來進行開發，這時可以選擇通過軟體模擬來學習嵌入式系統開發。Proteus 是目前最好的能夠虛擬嵌入式系統開發中常用的處理器和外圍器件的EDA 工具。另外，模擬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設計的能力，為今後更高層次的設計和實踐打下基礎。

二、PROTEUS 軟體簡介

PROTEUS軟體由Labcenter公司開發，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統設計與模擬平臺，可以實現數位電路、類比電路及微控制器系統與外設的混合電路系統的電路模擬、軟體模擬、系統協同模擬和PCB設計等功能，是目前唯一能夠對各種處理器進行實時模擬、除錯與測試的EDA工具。微控制器系統相關的模擬需建立編譯和除錯環境，可選擇Keil C51uVision2 軟體。該軟體支援眾多不同公司的晶片，集編輯、編譯和程式模擬等於一體，同時還支援PLM、彙編和C語言的程式設計。它的介面友好易學，在除錯程式、軟體模擬方面有很強大的功能。

Proteus VSM的核心是ProSPICE，這是一個組合了SPICE3f5模擬模擬器核和基於快速事件驅動的數字模擬器的混合的模擬系統, SPICE 核心的使用使您能採用數目眾多的供應廠商提供的SPICE 模型, 目前該軟體包包含有約6500個模型。Proteus VSM包含大量的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、函式發生器、數字訊號波型發生器、時鐘計數器、虛擬終端以及簡單的電壓計、電流計。此外模擬器能通過色點來顯示每個管腳的狀況，這點在單步除錯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體作用在處理器上並和連線該微處理器的任何模擬和數字器件協同模擬。微處理器模型和其它器件的模型一道駐留在原理設計中， 它模擬執行目標碼， 就像在真正的微控制器系統上。如果程式程式碼向一個外設口寫, 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， 這些也可以在您的程式程式碼中看到，如同真實系統一樣。

PROTEUS VSM FOR ARM/LPC2000 包含做PHILIPS 公司LPC2000 系列設計模擬所需的一切。支援ARM和THUMB 指令集。支援片上外設：GPIO, timers, RTC, UARTS, SPI, I2C, MAM,PLL, ADC and watchdog timer 等。支援VIC 中斷子系統。在3G 的PC 環境下可以做10MIPS 的模擬。可以裝載ELF/DWARF2 格式檔案進行原始碼除錯。可以利用IAR Embedded Workbench 和KeilUV3 與PROTEUS 進行聯調。這個軟體包包括: ISIS 原理圖輸入系統。PROSPICE 互動式模擬引擎。LPC2000 系列處理器模型。ARM7TDMI 和ARM7TDMI－S 核心模型。可以用高階圖形模擬工具來做基於圖表的模擬。由PROTEUS VSM模擬通過的設計可以直接匯入到ARES 中進行PCB 設計。

三、PROTEUS 軟體模擬的優勢

採用Proteus 模擬軟體進行虛擬實驗, 具有比較明顯的優勢,如涉及到的電子元件豐富、實驗內容全面、硬體投入少、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，內容全面

Proteus軟體提供了數千種元器件，它能實驗的內容包括軟體部分的彙編、C 等語言的除錯過程,也包括硬體介面電路中的大部分型別。對同一類功能的`介面電路, 可以採用不同的硬體來搭建完成, 可以擴充套件學生的思路和提高學生的學習興趣。該軟體可以加快電路系統開發的速度，節約開發成本，提高開發效率。

2．硬體投入少，經濟優勢明顯

Proteus 所提供的元件庫中, 大部分可以直接用於介面電路的搭建, 同時該軟體所提供的儀表, 不管在質量還是數量上, 都是可靠和經濟的。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。因此採用軟體的方式進行教學, 其經濟優勢是比較明顯的。

3．接近實踐，提高解決實際工程問題的能力

採用模擬軟體後, 學習的投入變得比較的小, 而實際工程問題的研究, 也可以先在軟體環境中模擬通過, 再進行硬體的投入,這樣處理, 不僅省時省力, 也可以節省因方案不正確所造成的硬體投入的浪費。最後將模擬除錯成功的電路移植到一個具體的硬體電路中進行測試。將模擬軟體和具體的工程實踐如何結合起來, 利於對工程實踐過程的瞭解和學習。

4．實驗過程中安全，儀器多、損耗小

採用Proteus 模擬軟體進行的實驗教學,可以將大量教學資訊直接地表現出來,節約大量昂貴的實驗儀器費用,調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,並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．採用多媒體教學，豐富了實踐性教學的手段

在教學上虛擬實驗採用區域網多媒體教學，通過區域網實現教師機對學生機同步演示電路圖並講解其原理，學生根據電路原理圖在虛擬實驗系統提供的元件庫中找到相應的虛擬元件。實驗完成後將資料輸入到電子實驗報告系統中，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、教學例項

1

．在Proteus 軟體平臺中繪製原理圖

Proteus 軟體繪製原理圖先從軟體包的器件庫裡取出所需的元件符號並在繪圖區佈局好, 同時編輯好元件的引數, 接著進行連線, 新增必要的網路標號等步驟。

2．編寫程式

(1)對於組合語言，可直接在Proteus軟體平臺編寫、編譯程式，再把產生HEX 檔案匯入到AT89C51中。

(2)也可開啟第三方軟體Keil Vision3, 新建專案, 選擇微處理晶片, 然後編寫程式, 編譯源程式。產生HEX 檔案, 並選中Use Proteus VSM Simulator。該溫控電路主要程式如下：

******************************************

DAT BIT P2.0 ;資料通訊口

WDLSB DATA 30H ;讀出的溫度低位元組

WDMSB DATA 31H ;讀出的溫度高位元組

MAIN: MOV SP,#60H

MOV P2,#0FFH

MOV R2,#8

MOV R0,#40H ;

OVER: MOV @R0,#00H;清顯示緩衝

INC R0

DJNZ R2,OVER

MOV TMOD,#21H;T0=16B Counter,T1=8B autoload

MOV TH1,#0FDH;串列埠波特率[email protected]

MOV TL1,#0FDH

MOV SCON,#50H;串列埠方式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 ;呼叫讀出DS18B20溫度程式

SJMP LOOP ;讀出DS18B20溫度程式

DSWD:

CLR EA

LCALL RSTSNR

JNB F0,KEND ;如果沒有應答，返回主程式

MOV R0,#0CCH

LCALL SEND_BYTE ;跳過ROM匹配

MOV R0,#44H ;發出溫度轉換命令

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．電路的除錯與模擬

對於組合語言程式可直接在Proteus平臺編譯、模擬和除錯程式，如果採用第三方軟體Keil程式設計（C語言或組合語言）可按照以下步驟進行模擬除錯。

(1) 開啟Proteus 繪製電路圖, 在AT89C51 中匯入在Keil平臺中編譯出的HEX 檔案,選中Use Remote Debug Monitor。

(2)在Keil 中選擇除錯,可順序和單步執行程式, 調出Proteus ISIS 介面, 在Debug 選單下選擇Virtual Terminal, 開啟虛擬終端, 在鍵盤上按鍵, 在虛擬終端視窗中就會顯示相應的字元，調節虛擬的溫度感測器（DS18B20）溫度，就可在數碼管中顯示準確的溫度值。

五、結束語

Proteus模擬與傳統的實驗教學相比,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學生的創造性，這是傳統實驗教學無法比擬的。

參考文獻：

[1]許文斌eus 軟體在微控制器系統模擬實驗教學中的應用[J].商業經濟，2006，(3).

[2]代啟化eus 在微控制器電路系統設計中的應用[J].自動化與儀器儀表，2006，(6).

[3]周潤景，張麗娜.基於Proteus 的電路及微控制器系統設計與模擬[M].北京航空航天大學出版社，2006.5.