Proteus在《微型机原理》课程教学中的应用

张亚军

（郑州科技学院，河南 郑州 450064）

0 引言

《微机原理》课程是电气自动化专业、计算机及相关专业的一门基础课程，且该课程相对专业性理论的要求比较高，所以比较抽象；又是《自动控制》、《计算机组成原理》、《嵌入式原理及开发应用》等课程的后继课程的基础，要求学生对此门功课的学习能够扎实、劳固的掌握，可是学习过程比较困难，如果在实际的教学过程中，只以课堂理论讲述为主，而忽略了实际实验操作，这样就让学生感觉到课程的枯燥乏味，并且理论只是口头论述，只能讲解表面的知识，无法让学生做到更深入的了解。

为了激发学生的学习积极性和对理论的充分认识、劳固掌握，提高学生的动手动脑能力和培养学生的创新能力，在教学过程中运用Proteus软件，对增强学生的思维活跃性有很大的促进作用。利用这款软件的仿真性能，让整个教学过程更加生动、形象，让学生更加深入的了解所学知识，从而这款软件起到更加积极的作用。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真微处理器及外围器件[1]。

1 几种教学方式比较

信息化新时代下电子原件多样化，电路的多样化已是一个快速发展趋势，软件硬件更新换代之快更是令人惊叹。微机原理教学课程本身的教学内容涉及到的知识非常广泛，在教学过程的讲述也是比较抽象的，并且不容易做到有效的实际演示，这样一来学生吸收教学知识的能力大大降低，从而严重影响教学质量。像一些稍微复杂一些的电路知识，如果只是通过画图的办法不但消耗时间并且浪费精力，如果用PPT的形式进行教学演示，对于整个教学内容来说也只是一个模糊的概述，类似这样的软件实际教学效率非常有限。随之面临的硬件教学课程局限性的弊端就不可掩盖了。在这种传统的教学实例演示过程中，学生接收的只是一些枯燥千篇一律的内容，所以不能调动学生对知识的求知欲望。

1.1 焊接时代的教学不足与优势

《微机原理》原生态的教学时代要算是通过焊接来去追求深刻地理解理论，验证理论，从实践中检验真理，习得真理。科学本省就是自然界的“道”：法则，一定事物在一起就能产生一定的现象，《微型机原理》亦是一门精神奇妙的科学。对于传统的焊接时代的教学，老师教学不能借助事物很好地形象化的表达，学生面对海量的模糊理论的概念以及繁琐焊接试验操作，对学生的学习热情和求知欲有很大的副作用，同时这种通过焊接方式来练习对硬件资源也是一种极大的浪费。

任何事物都有利与弊两方面的存在，焊接时代《微型机原理》教学也一样，这种原生态的教学方式所有形象化教学的限制和硬件时间的巨大花销及不利于学生新思路创新的产生和实践，然而它也存在不容忽视优势：教与学都最接近本质时间，教和学都直击实践，与当大量理论少实践的教学模式下，这种方式无疑是直接接近本质。

1.2 实验箱时代教学的弊端与优势

相对传统焊接年代的教学形式有了很大提高，学生可以通过更统一的电子模版——实验箱，在教师教学和学生实践方面有了很大地积极促进作用。教师通过实验箱能更形象化，具体化地描述理论和实践理论，可重塑性好，学生容易试验，这种比较统一电子模版也让学生的思路有了更广阔的空间，能够好地激发学生新奇思维产生和新事物的创造。然而这种比较统一的助教助学的电子模版的产生使教学有点远离了具体实践的本质，学生只能机械地按照实验箱上有限的资源来完成有限的实验，有点远离了硬件操作的本质。

1.3 Proteus时代教学的优势

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到微处理器与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。具体优势表现在以下一个方面：

一是，Proteus电路设计仿真软件功能完善，可对一般的电路及各种电路应用程序（如单片机程序）进行仿真模拟。以前普遍使用的EWB，其界面，仪表功能、信号发生器等都不如人意。Proteus电路设计仿真软件功能非常完善，其应用效果主要表现在以下几方面：（1）发光电极管、灯泡、数码管等器件的可发光和开关的可开闭及扬声器的可发声，实物店鲁能观察到电路现象等，这些功能通过Proteus都可实现。（2）各种电源包括直流、交流；信号源包括正弦波，矩形波。是哪较薄，尖脉冲，音频信号；电压，频率和其他各种参数都可根据需要通过Proteus设定。（3）具备各种仪表：微伏表、毫安表、安培表等电压表；频率计：四踪示波器等。总之，实验室里所需要的元器件，仪器仪表都配备完善，最基本的元器件功率、耐压、外形的差别都能体现出来，并可进行四踪示波器四路信号的实时比较。其设备之齐全，功能之完善，与以往所使用的软件比较效果更加明显。

二是，投资少，损耗为零，紧跟市场。一套常规多媒体示教平台，装上Proteus软件就可以使用——成本为零。由于其安全性能好，实验设备损耗为零，不会出现因学生的误操作损坏仪器设备的情况、能节省大量的时间用于实验的准备和调试，并可以进行升级，完全可以与企业的需要保持一致。

三是，直观、真实，可以显示演示的内容和过程，与真实的试验相比毫不逊色，却有更多的灵活性及更准确的数据参数。用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI器件，部分IIC器件。基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

四是，拥用多媒体数学平台进行教学，与纯理论数学相比，能有效提高学生的学习兴趣。由于感性认识的增加，学生更容易理解，可有效地按时完成教学任务。教师可根据实际需要，通过Proteus的演示进行问题发现式、验证总结式教学使学生顺利消化每一节课的知识。

2 Proteus+8086虚拟实验平台

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真及印刷电路板设计软件，它应用于Windows操作系统，可以仿真，分析各种模拟电路与集成电路。。该软件提供了大量模拟与数字元器件，外部设备及各种虚拟仪器，并具有对常用控制芯片机器外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。

Proteus提供多种多样型的虚拟仿真模型，例如VSMC for 8051,VSM for AVR,VSM for ARM7/LPC2000,VSMforPIC11/12/16/18/24/33,VSM for HC11及VSM for MSP430等。Proteus 106强大的设计与仿真功能被广泛应用在数字电路，模拟电路，单片机，嵌入式系统等多门课程的教学和实验中。但是，Proteus在微机原理教学中的应用却鲜为少见，这主要是因为以往的Proteus版本缺乏对微机原理课程所设计芯片的支持。直至2009年，Labcenter公司推出了VSM for 8086平台及Proteus7.5 SP3软件，支持8086微处理器与8255，8253，8251等接口芯片的系统仿真。Proteus为8086微处理器设定了一些默认值，同时也可以通过“编辑元器件”功能对8086模型的多种属性进行修改，如表所示。此外，8086模型支持将源代码的编辑和编译整合到统一设计环境中[2]。

2.1 在《微机原理》理论教学中的应用

在讲述《微机原理》课程的接口芯片时，为了能让学生掌握芯片的功能、结构及引脚，需要借助相应的实例进行讲解。8086的中断系统相对比较复杂，讲解起来不容易讲明白，但借助Proteus通过图示的形式，讲起来就比较直观，而且学生的记忆也比较深刻[3]。如1所示，采用中断方式完成数据的输入输出传送。

图1 8259A的仿真实现

这样对程序的编写流程很容易理解。

2.2 Proteus在单片机教学中的应用

单片机的学习采用项目化的教学形式，在教学中引入“以培养关键能力为核心”的项目教学法，项目教学法是师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动，每节课都围绕着一个特定项目展开，用项目构建本节课的知识体系。在项目教学中，教师围绕具体项目以模块方式组织教学内容，引导学生边学边做、边做边学，在实践中学习这门课。教师不再把现成知识技能传递给学生作为教育的唯一目标，或者说不是简单地让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果，而是在教师的指导下，让学生把看到的、听到的与手上做的结合起来。学生在寻找这个结果的过程中，学会思考、发现问题和解决问题，进而增强信心、提高学习积极性，最后进行展示和自我评价。与传统的教学方法相比，项目教学法有效地建立了课堂与实践之间的联系，能将教学课题的理论知识和实际技能结合起来;学生有独立制定计划并实施的机会，在一定时间范围内可以自行组织、安排自己的学习行为，使学生的学习更 有针对性和实用性。 在应用项目式教学的过程中必须软件硬件结合，也就是将程序和外围电路相结合。采用虚拟仿真技术Proteus软件，则不用制作具体的电路板就能够完成以上工作，使项目实现更加方便经济[4]。

将Proteus引入单片机课堂教学首先，在单片机课堂教学中采用Proteus，可以进行大量实例演示，将原本用语言不便描述的内容直观地展现出来，一目了然，增强了教学的生动性和直观性。教师可以开发教学演示项目，制作一些典型的应用系统，比如流水灯、交通灯、数字钟等，让学生对单片机应用系统有一个感性认识。而且 Proteus具有用色点显示芯片管脚状态的功能，在仿真过程中，引脚上的有色小方块显示其状态，红色表示高电平，蓝色表示低电平，灰色表示浮空，黄色表示冲突(如两个器件同时向总线上传送数据)。这给用户调试、演示带来方便，教师可通过单步调试的方法让学生观察引脚的高低电平变化。其次，采用Proteus有助于明确概念，解决难点。在单片机教学中，P0口作为准双向口的这个概念以及如何应用、中断如何产生、LED灯的位选和线选 如何区别等都是教学中的重点和难点，可以通过Proteus的演示让学生掌握清楚。例如:中断优先级是教学中难以掌握的问题，以往学生在课堂听不懂，课后也搞不清。现在用 Proteus在多媒体教室进行仿真，学生也参与操作，显示直观清晰[5]。学生通过观察和操作，不仅学懂了，主动性也明显提高，效果很好。

Proteus仿真软件打破了学习的时间限制，开拓了学习的空间，只要有一台电脑，学生就可以利用课余时间，在自己的 PC上随时进行仿真实验。采用Proteus仿真软件，既节约大量昂贵的实验仪器费 用，还能避免真实实验或操作所带来的各种危险，和因操作不当而造成的仪器仪表的损毁。在单片机课程要求的实验基础上，可以进一步开展实验室开放性教学，主要包括两种开放形式:一是，学生在实验课上没有完成的实验内容，或对做过的实验存在疑问;二是，处于对单片机的兴趣，或在原有单片机学习的基础上，在老师的指导下，自己动手，完成单片机系统的设计、焊接、编程、调试及分析等工作[6]。允许学生在业余时间进行预约实验，同时向自己有微机的学生提供仿真所需软件资源，开阔学生的课外学习活动空间，鼓励学生参加科技小组活动。

2.3 在实训中的应用

传统的微机原理仿真实验主要采用硬件仿真电路箱的模式，试验箱大量的辅导信号线，如地址译码器电路，数据线，读写线等已经进行了集成，这样学生在做实验时，只能贼既定的框架中进行各种演示实验，从而限制住了学生的想象能力。另一方面，由于硬件实验室一般不是开放式实验室，因此学生很难在实验课前进行很好的准备工作，尤其是在硬件电路方面，从而在实验过程中用大量的时间进行电路连线的检查工作，影响实验效率。

而通过Proteus仿真软件，学生能过在课前进行很好的电路设计，进行初步的软硬件之间的联合调试，如果在仿真过程中出现问题，能够很好地利用仿真软件的调试工具进行各个硬间设备的检测与调试[7]。在做好准备工作后，进行实验课时，可以把软件仿真的结果直接应用到硬件试验箱中，能够很好地验证从仿真到真是应用的整个流程，从而提高学生的动手能力，有效地提升实验效果。

3 结束语

使用Proteus软件进行系统仿真设计,是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在《微型机原理》课程设计中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对《微型机原理》的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。在实践教学中，传统方法多数是利用硬件试验箱来完成，这存在很多不足之处。借助Proteus可以辅导教师的教学，对学生进行实验，课程设计，毕业设计等都有很大的帮助。为了加深对理论知识的理解，促进理论和应用的结合，我们在课堂教学过程中应选择仿真软件Proteus，进行汇编程序的调试和演示，激发学生的学习兴趣。因此，Proteus有较高的推广利用价值。

［1］胡建波.微机原理与接口技术实验：基于Protues仿真[M].北京：机械工业出版社，2011.

［2］陈越,顾晖，等.Proteus虚拟仿真在微机原理教学中的应用[J].电子技术应用，2012（01）：106-108.

［3］刘邹，丁青青.基于 Proteus的硬件在回路仿真[J].计算机仿真，2009,26（2）.

［4］王宁，陈铖.非计算机专业“微机原理与接口技术”课程的教学实践与探索[J].教育与教学研究,2008（24）.

［5］彭伟.单片机c语言程序设计实训100例[M].北京：北京电子工业出版社,2010.

［6］少航，李山,苗亮亮,等.基于Proteus的单片机应用系统的设计与仿真[J].现代电子技术,2007（6）.

［7］徐丽伟.浅谈微机一体化教学[J].科教论丛，2009（6）.