Proteus仿真在计算机嵌入式方向系列课程中的应用

2012-12-08陈坚祯梁小满眭仁武彭青山黄阳平

湖南科技学院学报 2012年8期

关键词：嵌入式单片机方向

陈坚祯阳平程鹏焦铬梁小满眭仁武彭青山黄阳平

（衡阳师范学院计算机科学系，湖南衡阳 421001）

Proteus仿真在计算机嵌入式方向系列课程中的应用

陈坚祯阳平程鹏焦铬梁小满眭仁武彭青山黄阳平

（衡阳师范学院计算机科学系，湖南衡阳 421001）

论文结合计算机专业嵌入式方向系列课程教学现状及Proteus仿真软件的特点，从数字逻辑、计算机组成原理、接口技术、单片机以及嵌入式系统等系列课程教学方法和教学手段的改革出发，介绍了Proteus仿真在这些理论和实践教学中的应用。实践证明Proteus仿真很好地促进了该系列课程的教学改革，取得了很好的效果。

嵌入式方向；Proteus仿真；教学改革

1 引言

当今，随着嵌入式产品，如智能家电、手机、平板电脑、汽车电子、医疗仪器、智能机床、航天航空设备等电子产品的广泛应用，嵌入式系统和技术以排山倒海之势已逐渐占据了我们生产、生活和娱乐的各个方面。社会对掌握嵌入式技术的人才的需求越来越大，各个大学众多专业纷纷开设了嵌入式方向课程，并在计算机专业体系下设置了嵌入式专业方向，甚至开办以嵌入式为基础的物联网专业也成了热点[1-3]。

嵌入式作为计算机一个的专业方向，关于它的课程体系、培养模式和教学方法的研究得到了各个高校的普遍重视。本文基于嵌入式系统人才培养发展的新需求，以计算机系列课程为依托，引入proteus虚拟仿真平台，提出面向工程应用的嵌入式方向的培养方案，形成了理论内容与实验相结合，课内实验与开放性实验室相结合，系列课程全程贯穿实际工程应用的联合教学模式。

2 嵌入式方向系列课程的培养模式

2.1 嵌入式方向课程教学的现状

目前国内很多大学在计算机专业的大学三、四年级都开设了嵌入式系统的专业课程或专业选修课，但是由于嵌入式技术的复杂性和综合性，要想让学生在短时间掌握嵌入式技术，这对教学提出了很高的要求。很难指望学生在一门课程内掌握从事嵌入式系统开发所需的各种知识和技能，而很多学生对学习前期基础如微机原理等一些课程又感到很困难，学完之后也不知道怎么用它。这暴露出我们教学中的一些问题，因此在我们的教学中，要改变观点，结合市场需求，把提高学生的实践能力和创新能力作为教学的关键点。

要培养合格的、满足社会需求的嵌入式技术人才，必须明确嵌入式人才的知识与技能要求，强调嵌入式工程应用能力培养，构建人才培养的理论教学体系和实践教学体系，并将其转化成为一系列的相互关联的、目标明确、相互支撑的相关课程，构建嵌入式系统的课程体系，最终形成符合社会需要的嵌入式系统专业方向或嵌入式系统相关专业。

2.2 嵌入式方向软硬件课程知识体系

嵌入式专业方向培养偏向嵌入式设计开发，具有基础扎实、解决问题能力强，掌握软件硬件工程型技术的专业人才。其课程体系应该体现“注重工程能力培养的嵌入式系统人才知识体系”。根据学生的接受能力，嵌入式知识的学习应体现层次性、由易到难的渐进性、注重实践性。其知识结构由基础知识、专业基础知识、专业知识这样一个层次结构组成。嵌入式系统专业方向系列课程培养知识体系如图1所示。

图1.嵌入式方向系列课程培养知识体系

在专业课程阶段，嵌入式系统是一门综合性的课程，对完成解决实际问题的工程能力培养十分重要，它涉及微电子、单片机、操作系统、接口技术、C语言和汇编语言、软件工程等诸多知识，这就对该课程的前期基础教学提出了较高要求。如何注重系列课程前后之间的知识衔接关系，强化支撑和关联，并全程贯穿实际工程应用的联合教学模式，对“嵌入式系统”等课程开展研究性教学，激发学生的创新意识，培养学生善于思考和较强实践动手能力具有重要的现实意义。

出于工程应用培养的需要，在教学实践中引入 Proteus嵌入式虚拟教学及实验平台能很好地把嵌入式方向系列课程前后关联起来，实现微电子、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理、单片机、操作系统、接口技术、C语言和汇编语言等系列课程的知识衔接，且使各门课程教学与实验相结合，极大增强学生对理论知识的理解能力、实践动手能力和创新意识。

3 Proteus嵌入式虚拟教学及实验平台的建设

3.1 平台软件Proteus介绍

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的世界上著名的EDA工具软件，能完成从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，再到PCB设计，是从概念到产品设计的工程应用平台。是一个电子硬件设计以及集成C语言和汇编语言、支持Keil C联调的教学、实验和创新平台。涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、数字逻辑实验室、计算机组成原理实验室、接口技术实验室、单片机应用实验室等的全部功能。它提供了30多个元件库，有数千种仿真元器件，能仿真51系列、AVR、PIC、ARM等系列常用主流单片机，提供了大量的存储器和外围器件、多样的激励源和多种虚拟仪器等硬件支持。除提供基本的软件编译、汇编、调试功能外，还支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51等软件[4-5]。

它可以对模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统进行仿真，并进行功能验证，通过动态器件和虚拟仪器操作，可以看到运行后逼真实际的硬件或系统效果。用Proteus软件来构建虚拟的教学和实验平台，可以很好地满足计算机软硬件课程实验教学的仿真需要，在嵌入式方向系列课程中开展Proteus软件的仿真教学，将对学生前后课程的学习起到相互铺垫、相互支撑的作用。

它还可以不断强化学生工程应用能力，如利用Proteus软件逐步建立并强化学生掌握如下五个嵌入式应用开发的步骤：(1)进行数字、模拟电路及单片机应用系统等硬件原理图设计；（2）基于硬件开发嵌入式软件；(3)对软硬件系统进行联调分析与仿真以及返回修改；(4)将硬件原理图转换为PCB图。（5）动手试制调试实物产品。

Proteus软件虚拟实验平台结合传统实验室将更能激发学生的创新能力。因为虚拟实验效率更高、互动性更好。传统实验箱上仅能提供有限的元件，只能完成一些常规的验证性实验。而在虚拟实验平台上提供了大量的虚拟元件供学生选择使用，这样就可以在虚拟实验教学过程中激发学生的创造力和想像力。

3.2 将Proteus引入“数字逻辑”课程教学

在数字逻辑课程教学中，采用Proteus进行案例演示，可增强教学生动性和直观性。例如，在讲述采用D触发器设计的环型计数器时，教师可以用不同的集成计数器芯片如74HC74等制作不同的进制的环型计数器进行演示，让学生对集成计数器及其应用加深理解(如图2所示)。

图2.用D触发器设计的环型计数器案例

3.3 将Proteus引入“计算机组成原理”课程教学

在计算机组成原理课程教学中，同样采用Proteus进行案例教学，既可增强计算机组成原理课程与前期微电子电路和数字逻辑课程联系，又将激发学生深化学习和进一步求知的欲望和热情。例如，在讲述不带符号乘法器时，承前根据与门、或门和异或门等基本电路，采用芯片如74HC386、74S08、74HC4075、数码管等制作乘法器进行演示，也可让学生课后以独立完成作业的形式加深理解(如图3所示)。

图3.学生完成的不带符号乘法器作业

同时，利用Proteus软件实现运算器、控制器、存储器、总线、接口和I/O部件等案例后，将它们组装在一起，能十分形象、逼真地演示冯·诺依曼型计算机五大部件协同工作的单机工作原理，从而达到培养学生建立牢固的计算机整机概念和思想，又培养了学生的工程设计能力，图4所示为具有运算器、控制器、存储器、总线、接口和I/O部件组装后的简单冯·诺依曼型计算机电路图。

图4 简单冯·诺依曼型计算机电路图

3.4 将Proteus引入“单片机原理”课程教学

在前期教学的入门提高引导后，课堂上就可以很自然地利用Proteus软件进行教学，预先设计好典型的单片机应用实例，向学生演示单片机系统软硬件设计开发、调试修改的全过程，从而使学生对单片机的工作原理、设计效果有深刻的了解。图5为智能流量采集系统的实例仿真及效果演示图。该系统中，利用PIC16F877A单片机、LGM12641BS1R的LCD显示、按键操作、模拟信号采集仿真电路等。

在这门课程中，学生用Proteus软件设计与仿真，就如拥有一个虚拟的实验室，可以大胆进行电路设计、测量、调试、修改。成功后，只要安装正确无误，布线合理，焊接可靠，实际作品都会与设计仿真的结果一致。不会因失误而造成硬件投入浪费，设计实验中不会出现损耗问题。

4 结论

嵌入式技术的发展需要高校的培养体系与教学模式不断改革。本文就计算机专业适应嵌入式系统行业发展的新需求，探讨嵌入式方向课程体系及其教学模式，在系列教学中引入Proteus虚拟教学及实验平台，目的是更加注重实验教学，将课内实验与开放性实验相结合起来，使学生打好基础功底，强化动手能力和创新能力。应用Proteus虚拟教学及实验平台可以弥补硬件环境下实验教学的不足,提高实验教学的教学质量，并为课程设计、毕业设计等重要实践环节打下坚实基础,使学生独立操作能力和创造力都得到发挥，从而提高学生的学习兴趣和积极性。