基于Proteus的电类综合实验系统的构建*

杨增汪 陈 斯 戴新宇

徐州师范大学 江苏徐州 221116

基于Proteus的电类综合实验系统的构建*

杨增汪 陈 斯 戴新宇

徐州师范大学 江苏徐州 221116

实验平台是实现实验教学、促进学科发展、培养创新型人才的重要基地。通过分析目前电子类实验室平台建设存在的缺陷，重点阐述了电类综合实验系统的构成、特点及接口方案，并通过实例介绍该实验系统在电子技术方面的应用。

Proteus；综合实验系统；仿真

近年来，随着就业竞争日趋激烈，企业对大学毕业生的知识、技能等要求更高，特别是技术素养、实际运用及创新能力。作为高等教育中培养学生实践能力和创新能力的关键环节，实践和实验教学起着至关重要的作用。长期以来,电子类学科专业所采取的实验教学的手段和方法，难以达到预期的效果。因此，建立一套新的实验平台及方法已成为人们的共识。

一、目前电类实验存在的问题

1.实验室多,设备多,投资大,维护不便,更新困难

通常电子类实验室种类繁多。在每一类实验室中，不仅有各种设备，还有各种为数不少的实验箱或实验板，这些实验必备的硬件，根据其功能价格从几百元到几千元不等。对于大多数的学校而言，要建立一个满足教学需求的电子类实验室都是一个很大的投资。同时，电子技术的飞速发展，仪器设备易落后、老化，难以跟得上知识的更新，维护也极为不便。

2.实验功能单一，措施封闭，效果不佳

现有电子类实验大多采取一种封闭式、孤立的实验教学模式，即在规定的课时时间内，学生在规定的场地内，进行规定的实验内容。这种实验教学模式难以满足教学内容的要求，打断了教学的连续性，难以激发学生的实验兴趣，扼杀了学生创新思维能力，其实验效果难以提高。

3.不利于学生创新意识、创新能力培养

目前实验平台往往采取成品实验板或实验箱。其中的电路、集成块、单片机、接口等都已经固定，扩展搭建电路不方便，学生难以参与细节设计。大多是用于做一些验证性的实验，不能激发学生的尝试创造的热情，不利于学生创新意识培养，更不利于创新能力的培养。

二、综合实验系统

1.Proteus简介

Proteus是英国Labcenter electronics公司始于1989年开发的EDA工具软件，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。它除了具有和其他EDA工具一样的原理图设计、PCB布线及电路仿真功能外，更主要的是包含了革命性的VSM(虚拟系统模型)技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。Proteus VSM将处理器模型、Prospice混合电路仿真、虚拟仪器、高级图形仿真、动态器件库和外设模型、处理器仿真器、第三方的编译器和调试器等有机结合起来，第一次实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试及功能验证到生成PCB的整个开发过程。

Proteus可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola68系列等常用MCU及其外围电路(如LCD、RAM、ROM、KEYBOARD、MOTOR、LED、AD/DA、部分SPI、I2C等器件)。还可以仿真基于ARM7内核的Phillips LPC2000系列32位处理器的嵌入式系统的所有功能。另外在编译调试方面，支持Keil和MPLAB等第三方集成开发工具。

2.综合实验系统

电类综合实验系统主要由电路分析、模拟电路、数字电路、单片机原理、微机原理与接口技术、嵌入式系统(ARM)仿真与设计等6个子系统和1个创新实验基地构成。在子系统的平台上均可进行相应电路设计、仿真、调试等通常在相应实验室完成的具有验证性质的基础实验和相关课程的综合设计实验；创新实验平台着眼于提高学生的综合能力、创新意识和能力的培养，服务于毕业设计、电子设计竞赛以及学生自我能力发展等方面。

3.综合实验系统的优点

基于Proteus的电类综合实验系统的主要优点：⑴实验形式多功能、内容全面。实验系统既可仿真各种电子类实验，又可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(单片机原理、ARM应用系统)的仿真实验，其内容包括软件部分的汇编、C等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型。⑵硬件投入少，经济优势明显。Proteus所提供的元件库中，大部分可以直接用于电路搭建，同时该软件所提供仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的。如果在实验教学中投入这样的真实仪器仪表，仅仪表维护一项，工作量已是比较大的。⑶实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题。在传统的实验过程中，都涉及到因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁，也涉及到仪器仪表等在工作时所造成的能源消耗。采用Proteus仿真软件进行的实验，则不存在上述问题，其在实验过程中是比较安全的。⑷有利于学生创新意识、创新能力培养。学生除了可对书本中的实验进行反复验证外，还可以将学到的知识进行综合，发挥其想象力，编制自己的方案，实现自己想达到的设想。有了失败就有了教训，实际设计中就可以少走弯路；经过多种方案的仿真、实践，今后才可能设计出比别人更好的产品，进而创造出新品。⑸低投入、高回报，便于管理、维护。由于其核心为Proteus仿真软件，无实验损耗，其管理、维护简便。

三、实验系统与Keil集成开发环境的接口

1.Keil μVision3简介

Keil软件公司是嵌入式开发工具的专业制造商。最初作为51系列兼容单片机C语言软件开发系统的Keil μVision系列集成开发环境（IDE）,已是国内最流行的嵌入式软件开发平台。为了更好地支持32位微处理器的开发，Keil又推出了Keil μVision3（即Keil C51 8.X 版本）。μVision3平台的人机交互界面非常友好,而且编译器性能优异,编译出代码的大小、执行速率及系统的稳定性均领先于市场上同类产品。

2.Proteus与Keil集成开发环境的接口

⑴首先确认电脑是否已经正确安装了TCP/IP协议，可以使用“Ping”命令确认；依次分别安装Proteus和Keil μVision3；接着安装实现前述二者联调的插件，对于Proteus6.9及以上版本只需安装官方提供的 “vdmagdi.exe” 程序。

⑵Keil的设置。启动Keil μVision3，建立或打开一个工程，选择“Project”菜单的“Option for Target‘Target 1’”，在“Debug”标签右栏上部下拉列表框中选中“Proteus VSM Simulator”，再单击一下“Use”前面表明选中的小圆点。单击右侧“Settings”按钮，设置通信接口，在“Host”后面默认本机IP地址“127.0.0.1”。如果Proteus运行在另一台PC 机上，则在弹出的对话框中填入另一台PC机的IP地址。端口号都选择默认的“8000”。点击“确定”即可完成上述设置。

⑶Proteus的设置。运行Proteus的ISIS，鼠标左键点击菜单“Debug”，选中“Use Romote Debuger Monitor”项。

⑷在ISIS中画好相应的仿真电路图，或者打开一个设计好的文件，然后打开Keil，编写程序并编译通过后(为方便起见，可把Keil的工程和Proteus的文件放到同一个目录下)，单击“Debug”菜单下的“Start/Stop Debug Session”项或按“Ctrl+F5”进入调试界面。此时可单步、全速运行程序，并进行调试，同时可以观察Proteus中目标板的运行情况。

四、基于Proteus的电类综合实验系统实验实例

1.模拟电路分析实验实例

图1为基于Proteus电类综合实验系统的RC桥式正弦波发生器实验仿真界面。其实验过程包括：在ISIS中创建电路图、虚拟硬件参数设置、电气检测、添加虚拟4通道示波器，进行仿真调试。调试完毕还能基于电路图生成PCB板，用户直接利用生成的PCB工艺文件制作PCB板。

图1 RC桥式正弦波发生器实验仿真界面

在图2左上方的电路原理图中，振荡频率可由公式f＝1/(2π×R3×C1)算出。调节可变电阻器RV1(0～20K),可使电路满足起振条件(R2＋20K×X%)/(R1)＞2，当略大于2时有较好的正弦波输出，波形见图2右上方。可用虚拟示波器提供的测试游标测得周期为192.50ms，接近计算出的周期。在仿真中若缓缓调小可变电阻器的值，可实时观察到因不满足起振条件而导致正弦振动转入停振的过程；此时再缓慢增大RV1，则可实时观察到电路由停振到起振直至输出稳定波形的过程，上述仿真的输出分见图2下方的左、右图。

图2 MCS－51应用系统仿真实验界面

2.单片机应用综合设计实验实例

图2为基于Proteus电类综合实验系统的MCS-51应用系统仿真实验界面。该综合设计实验是利用单片机AT89C51和8位A/D转换器ADC0808设计一个数字电压表，能够测量0～5V之间的直流电压，并通过4位数码显示。

在实验中,学生一方面需掌握89C51单片机的内部、外部资源、工作系统构成情况，利用其外部总线实现对采集信号的输入及显示器件LED的数据写入；另一方面还需掌握外部器件A/D转换器、4位7段LED显示器等的使用方法；另外，学生还需熟悉89C51单片机的指令系统及编程方法。此外，通过电路原理图的设计、编程、调试、PCB设计及软硬件的设计验证，可以加深学生从概念到产品的设计全过程的认知。

3.嵌入式系统(ARM)实验实例

图3为基于Proteus电类综合实验系统的嵌入式系统(ARM)仿真实验界面。该实验仿真以Philips公司的ARM7处理器LPC2106为核心，实现串口数据的接收和发送,即当ARM通过串口接收到8字节数据时,立即把接收到的数据原封不动的发送到主机，通过虚拟终端实现显示。通过实验系统进行嵌入式系统(ARM)的学习作为一种新的思路和方法具有普遍意义。对于ARM学习者，尤其是在校的大学生，没有ARM实验箱也可以学习ARM嵌入式系统开发；同时还没有实验时间、内容的局限性，使学习者能够充分发挥自身的主动性。

图3 嵌入式系统(ARM)仿真实验界面

五、结束语

基于Proteus电类综合实验系统的的方案是切实可行的。采用虚拟实验的方式，不仅能够解决实验室设备资金短缺和维护困难的问题，而且使学生能够利用课余时间进行实验，充分锻炼了学生的动手能力，明显提高学生的综合设计能力及创新开发能力，同时也将极大地提高了学生未来适应工作岗位的能力。

[1]匡载华，邓小鹏．电子类学科专业Proteus实验室的建设[J].实验技术与管理，2009，26(1)：155～158

[2]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26(7)：75～78

[3]周润景，张丽娜，刘映群.Proteus入门实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007

[4]张齐，朱宁西.单片机系统设计与开发[M].北京：机械工业出版社，2008

[5]周润景，袁伟亭.基于Proteus的ARM虚拟开发技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007

The construction of integration laboratory system for electronic subject based on proteus

Yang Zengwang, ChenSi, Dai Xinyu
Xuzhou normal university，Xuzhou，221116，China

Laboratory platform is an important base for enhancement of experiment teaching, promotion of academic development,cultivation of the talent innovation.By analyzing the defects of the existing electronic subject laboratory,the paper expounds the construction、feature and interface of integration laboratory system for electronic subject in particular, and introduces its application in electronic technology by three examples.

proteus；integration laboratory system；simulation

2010-03-20

杨增汪,硕士，讲师。

*江苏省2008年高校自然科学研究计划项目(08KJB140010)，徐州师范大学2008年实验室建设课题(L0819)。