基于PROTEUS仿真环境的EDA实验教学

夏新恩，李 丹，沈 阳，骆珍仪

(韶关学院 计算机科学学院，广东 韶关 512005)

基于PROTEUS仿真环境的EDA实验教学

夏新恩，李 丹，沈 阳，骆珍仪

(韶关学院 计算机科学学院，广东 韶关 512005)

针对常规EDA实验教学模式存在的诸多问题和EDA实验设备套数局限，结合EDA实验教学特点，在多媒体网络EDA实验教学平台的基础上，进行了PROTEUS仿真环境的EDA实验教学形式改革.通过改革，学生得到更多EDA实验项目训练，有效克服了常规EDA实验教学形式、实验时间和实验设备的限制，使EDA实验教学效果和效率有了明显提高.

PROTEUS；实验教学形式；EDA实验箱模拟环境

根据现有EDA(电子设计自动化)实验室及实验教学特点，结合笔者主持的“《EDA技术应用》课程实验教学”教改项目，就如何提高学生对EDA实验兴趣和提高EDA实验教学质量及效率方面，与实验室技术人员进行了深入地调查分析，总结出常规EDA实验教学模式存在的诸多问题.针对这些问题，在现有EDA实验设备套数及多媒体网络EDA实验教学平台的基础上[1]，进行了PROTEUS仿真环境的EDA实验教学形式改革.通过此项改革措施的实施，提高了学生对EDA实验的兴趣，使学生得到更多EDA实验项目训练，EDA实验教学形式和方法上有了较大的改观，EDA实验教学质量和效率有了显著提高.

1 常规EDA实验教学模式存在的问题

常规EDA实验教学是在实验室进行，由教师通过板式或多媒体网络教学平台向学生集中讲授EDA实验教学内容，并以围观形式，向学生演示实验操作过程，然后教师再对实验学生个别指导.通过调查分析，总结出常规EDA实验教学模式存在如下问题：

1) 因EDA实验室条件所限，在集中讲授过程中，学生只能听，不能记笔记，教师讲授内容与学生分组实验内容不连贯，造成大部分学生难以掌握具体的实验过程，使得一部分学生在分组实验中还需要个别指导，加大了工作量.

2) 因以学生围观形式，观摩老师的EDA实验操作演示过程，只能使前排学生收到较好的观摩效果，而后排学生看不清楚老师的演示过程，而且每轮实验人数不能超过15位学生，实验效率难以提高.

3) 因EDA实验时间、实验场所和实验设备限制，学生只能在规定时间内在实验室完成教师安排的基本实验项目，而不能借出实验设备，利用课余时间，在寝室做自己感兴趣的实验项目.造成学生不能全面理解和掌握实验设备，对难度较大的综合和设计类实验项目很难在规定时间内完成，使这类项目开出率受到限制.

4) 因现有EDA实验设备跟不上课程教学内容的发展，EDA实验受限于现有实验设备所开设的项目，造成新实验项目难以开出，学生自主创新积极性难以发挥.

2 PROTEUS简介及仿真环境EDA实验教学

2.1 PROTEUS简介

PROTEUS软件包由英国Labcenter公司开发，是目前世界上最完整、最先进的嵌入式系统设计与仿真平台[2]，真正实现了在没有目标原型时，可对系统进行设计、调试、测试与验证.

PROTEUS软件包主要由智能原理图输入系统(ISIS)、虚拟系统模型(VSM)和高级布线编辑软件(ARES)构成.其一，智能原理图输入系统(ISIS)用于电路系统原理图设计的编辑绘制，可进行数字、模拟及数/模混合电路系统设计的编辑绘制，并具有单张、多张和层次电路原理图设计类型，其编辑环境人机交互界面友好，连线智能化，电器性能检测自动化；使用方便，易于上手.其二，虚拟系统模型(VSM)对所设计的电路系统原理图可进行电路激励、虚拟仪器、曲线图和电路探针等仿真设置，通过按“运行”图标按钮可进行电路运行工作时的交互式仿真，该仿真用于电路功能测试.通过按“空格”键可进行基于图表的电路瞬态仿真，该仿真用于研究电路工作性能和细节测量.VSM仿真功能可进行数字电路、模拟电路、数/模混合电路仿真；以及单片机与外设构成软、硬件系统的协同仿真[3].其三，的高级布线编辑软件(ARES)可将所设计的电路系统原理图转化成PCB板图，具有手动/自动多层次布局和路由布线，以及线路连通和电气性能检测等功能，并可将电路板作品以多层次形式，彩色绘制和图形打印输出结果，还能转化为gerber文件，用于数控机床的电路板雕刻加工.在电路系统作品制作之前，可通过ARES的三维动画展示功能，看到该作品制作后的真实效果.

2.2 仿真环境EDA实验教学

根据GW48系列EDA实验箱的12种“实验电路结构”模式(NO.0～NO.B)[4]，运用PROTEUS设计出12种模式的EDA实验箱模拟环境[3，5].在各种模式的实验箱模拟环境下，完成各类EDA实验项目，达到在实验室的实验箱上做各类实验项目的仿真效果.在仿真环境EDA实验过程中，对于采用文本方式(.vhd)设计输入的实验项目源文件，可先将其转化成RTL图(电路原理图).然后，在EDA实验箱模拟环境下做仿真实验.对于采用原理图(.bdf)设计输入的实验项目源文件，可直接在EDA实验箱模拟环境下做仿真实验.在仿真环境EDA实验教学中，教师在课堂上对实验项目及模拟环境操作做适当的解释说明，并将实验要求、内容和EDA实验箱模拟环境以电子文档形式提交给学生，然后，由学生独立完成实验项目.

以“用原理图输入法设计8位十进制频率计”实验项目为例，采用层次设计法的仿真环境EDA实验过程如下.

2.2.1 选择实验项目相应实验模式的EDA实验箱模拟环境

根据该项目的实验要求，选择实验模式NO.3的EDA实验箱模拟环境，如图1所示.图1中的数8～数1、D8～D1和键8～键1分别对应实验箱上的8个 LED数码管、8个LED灯和8个按键.

1) 目标芯片选择MAX7000S系列的EPM7128 SLC84-15.在实验模式NO.3的EDA实验箱模拟环境下，该目标芯片用子电路代替，并采用PROTEUS的原理图层次设计(对应EDA层次设计)方法，逐层设计“用原理图输入法设计8位十进制频率计”实验项目的底层和顶层电路.

2) “数8～数1”LED数码管显示“8位十进制频率计”的测量值.

3) 选择CLOCK0为被测信号，其频率设定为1 024 Hz (该值在实验时可随意修改).选择CLOCK2为测频控制时钟信号，按“8位十进制频率计”实验电路的设计要求，CLOCK2频率设定为8 Hz(8个时钟周期，即为1 s，作为被测信号的测频计数时间).

4) 在实际实验中，要进行“数8(Pin[65.64. 63.61])～数1 Pin[29.28.27.25]、CLOCK0(Pin2)、CLOCK2(Pin70)”引脚配置，而在仿真环境实验时，对这些引脚仅进行引脚插头名称标注即可.

图1 实验模式NO.3的EDA实验箱模拟环境

2.2.2 设计“8位十进制频率计”实验项目的顶层电路

进入图1 所示的“目标芯片”子电路层次文件，设计“8位十进制频率计”的顶层电路，如图2所示.

1) “TF_CTRO”为测频时序控制子电路，即“8位十进制频率计”下的底层电路.

2) “CONTER8_1～ CONTER8_4”为4个2位十进制计数器子电路，即“8位十进制频率计” 下的底层电路.

3) “U17～U20”为4个8位锁存器，用于保存8位十进制频率测量值.

4) 按照目标芯片引脚配置要求，标注图2电路与目标芯片子电路端口引脚连接.

2.2.3 设计“8位十进制频率计”实验项目的底层电路

进入图2 所示的“TF_CTRO”子电路层次文件，设计“TF_CTRO”测频时序控制电路，如图3所示.

进入图2 所示的“CONTER8_1”子电路层次文件，设计“CONTER8_1”2位十进制计数器电路，如图4所示.

应该说明的是：在“CONTER8_1”设计好后，返回“8位十进制频率计”顶层电路，将“CONTER8_1”复制拷贝产生“CONTER8_2～ CONTER8_4”子电路，并进行线路连接，最终完成“8位十进制频率计”顶层电路设计.

图2 “8位十进制频率计”的顶层电路

图3 “TF_CTRO”测频时序控制电路

图4 “CONTER8_1”2位十进制计数器电路

2.2.4 “8位十进制频率计”仿真环境实验结果

在图1的PROTEUS仿真状态下，点击PROTEUS运行按钮，可看到“8位十进制频率计”仿真实验结果，如图5所示.其中，“数4～数1”LED数码管当前显示被测信号CLOCK0的频率值1 024 Hz，“数4～数1”显示值可随CLOCK0信号频率的修改而改变.

3 PROTEUS仿真环境EDA实验教学特点

3.1 补偿实验设备的不足

EDA实验箱可编程目标芯片选用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15，由于该目标芯片容量有限，使设计的电路系统受到限制.随着PROTEUS版本不断更新，新的器件及仿真模型不断扩充，为EDA实验箱模拟环境的仿真实验扩充大量的器件，不仅降低了实验成本，同时开拓了新的仿真实验项目.

图5 “8位十进制频率计”仿真实验结果图

3.2 弥补EDA实验检测仪表的不足

目前EDA实验室没有配备逻辑分析仪、示波器等检测设备，只能通过实验箱的LED数码管、发光二极管、扬声器等设备观测简单的实验项目的测试效果.PROTEUS配有几十种仪器仪表和瞬态测试图表，可满足EDA实验箱模拟环境下各种实验电路系统的检验和测量.

3.3 拓宽学生对EDA实验的创新思维

常规EDA实验教学的实验项目局限于实验箱上的电路器材.在PROTEUS的EDA实验箱模拟环境下做实验，学生可根据实验要求，运用PROTEUS提供的各类器件和仪表，设计符合学生个性的电路和测试环境.

3.4 改善EDA实验教学形式

常规EDA实验教学模式只能在实验室进行，并在有限时间内完成实验项目.采用PROTEUS的EDA实验箱模拟环境下做实验，犹如将EDA实验器材和仪表搬到学生寝室.学生可利用课余时间提前做好仿真环境EDA实验项目及其数据测量等预习；在上EDA实验课时，将仿真环境实验结果和测量数据交由教师检查和验证.

4 PROTEUS仿真环境EDA实验教学效果

自“EDA实验箱模拟环境”安装在EDA实验室和学生自备的电脑后，配合EDA实验教学平台[4]进行了EDA实验教学，使学生能利用课余时间，在寝室提前做好仿真环境的EDA实验预习.由于学生提前做了仿真环境实验预习，减轻了教师在实验室指导学生的工作量；实验由每轮只能带15人增加到30人，综合和设计类实验项目增加到80%，EDA实验教学质量和效率有了显著提高.

[1] 夏新恩. 多媒体网络实验教学平台研究与实施[J]. 实验室研究与探索，2005，24(12)：53-57.

[2] 张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

[3] 周润景，张丽娜. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 潘松，黄继业. EDA技术实用教程[M]. 3版.北京：科学出版社，2006.

[5] 夏新恩. 基于PROTEUS实验教学平台的研究与实施[J]. 广东技术师范学院学报，2009，30(3)：53-56.

(责任编辑：李 平)

EDA Experimental Teaching Under PROTEUS Simulation Environment

XIA Xin-en，LI Dan，SHEN Yang，LUO Zheng-yi
(School of Computer Science and Technology，Shaoguan University，Shaoguan 512005，China)

In order to address the problems existing in traditional EDA experimental teaching modes and the limitations of EDA experimental equipment sets, this paper conducts EDA experimental teaching reforms in PROTEUS simulated situation, combined with EDA experimental teaching features in multi-media EDA experimental teaching platform. This reform offers students more EDA experiments and overcomes some disadvantages of traditional EDA experimental teaching, experimental duration and the limitations of the equipments, remarkably upgrading its teaching effects and effciency.

PROTEUS；forms of experimental teaching；EDA experimental box simulation environment

G642.3

A

1008-5475(2014)02-0051-04

2014-03-06；

2014-04-07

韶关学院第十二批教育教学改革研究一般项目(2011-223)

夏新恩(1954-)，男，河南开封人，教授，主要从事计算机应用及测控装置研究.