Proteus仿真在物联网专业硬件课程中的应用

王闯

摘 要：结合物联网专业硬件方向系列课程教学现状及Proteus仿真软件的特点，从数字电子技术、模拟电、单片机原理及应用等系列课程教学方法和教学手段的改革出发，介绍了Proteus仿真在这些理论课和实践教学中的应用。实践证明在物联网专业的硬件类课程的教学中，建立基于Proteus的仿真系统，可以改善实践教学效果，节省实验费用，降低实验设备的损耗，能够使学生更好地理解该门课的内涵，并且Proteus仿真很好地促进了这些课程的教学改革，具有很高的推广价值。

关键词：物联网；虚拟硬件实验环境；单片机；Proteus仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文献编号：2095-1302（2014）10-00-03

0 引 言

物联网（Internet of Things）是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网工程是一门覆盖范围很广的综合性交叉学科，涉及计算机科学与技术、电子科学与技术、自动化、通信工程、信息安全等诸多学科领域，有着广阔的应用前景。它改变了人类之前物理基础设施和IT基础设施截然分开的传统思维，将具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术有效连接在一起，使得管理、生产制造、个人生活实现互联互通，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[1]。

随着物联网在社会各个行业的快速发展，它已经进入到了各种应用领域。因此物联网专业技术人才的培养在高校的人才培养中日益提上了日程，随着“十二五”规划中将物联网列为国家战略性新兴产业，物联网专业的建设面临着长足发展的良好机遇。物联网专业作为一个实践性很强的专业，它的建设一贯遵循理论与实践相结合的方针，注重对学生的理论知识和动手能力的双重培养。

物联网工程作为一门新的专业，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[2]。本文基于物联网专业人才培养发展的新需求，以硬件类课程为依托，引入Proteus虚拟仿真平台，提出面向工程应用的培养方案，形成了理论内容与实验仿真相结合，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。

1 物联网专业硬件系列课程的培养模式

物联网专业的课程整体上可分为硬件类课程和软件类课程，其中硬件类课程是基础，软件类课程是灵魂。硬件类课程是物联网专业课程设置中的重要的基础部分，也是后续其他其它课程学习的基础。目前在各高校和硬件类相关课程主要有《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理与接口技术》、《单片机原理及应用》以及《嵌入式系统的设计与用》等课程。这些硬件类课程具有抽象性高、理解难度大等特点。传统的授课过程中教师多采用黑板板书同时多媒体课件辅助的形式，这种教学手段讲授的内容比较抽象，但是若在授课过程中将实验室器材搬到教室中又很不方便，学生普遍反映学习效果不好。这种教学方式存在理论讲授与实践演示相脱节的弊端，难于通过实验操作向学生展示理论知识的直观应用效果，因此往往造成知识讲授枯燥无味、学生学习兴趣不高、教学效果不佳等问题。

随着计算机仿真技术的快速发展，对教学的现代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物联网专业硬件类课程的教学中，完全有条件把教学和实验内容利用计算机仿真软件先进行仿真、模拟调试后再用硬件实现，同时在课堂上将元器件的工作特性通过仿真软件实时展现出来。所以通过在教学中把EDA电路设计软件引进教学和实验中，教学过程中教师使用仿真软件展示元器件的工作特性，课下学生再通过仿真软件上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测量直至印制电路板的自动设计[3]，这种方法集教学、学习、设计、创新于一体，拓展了教学和实验的深度和广度，同时提高了学生学习新知识的兴趣，将会取得很好的效果。

2 基于Proteus的虚拟仿真平台

2.1 平台软件Proteus介绍

Proteus ISIS是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，可以仿真分析各种模拟器件和集成电路[4]。它的主要功能包括：

（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。它具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路仿真，RS 232接口的动态仿真、I2C调试器仿真、SPI调试器仿真、键盘和LCD仿真等功能；有多种虚拟仪器可供仿真调试使用，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有8051系列、68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列、ARM系列以及各种外围芯片。

（3）提供软件调试功能。在系统仿真时该软件具有全速、单步、设置断点等调试功能，可以观察各个变量、寄存器、内部RAM的当前状态，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51软件。

（4）具有强大的原理图绘制功能。利用软件提供的元器件库可绘制模拟电路、数字电路、模拟与数字混合电路、单片机应用电路。它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大部分功能。

使用Proteus软件来构建虚拟的教学和实验平台，可以有效解决教学中存在的理论讲授与实践演示相脱节的弊端。教师在课堂通过使用Proteus仿真课本上的理论内容，以生动形象的仿真效果形式来提高学生的学习兴趣，引导学生在课下使用仿真软件自我学习其他相关内容，自行设计实验项目，尝试自我解决学习过程的各种疑难问题，更加扎实地掌握硬件类专业课内容。

结合Proteus虚拟实验平台的高效率和较好互动性，本文分别以Proteus在数字电子技术、模拟电子技术、单片机原理中的具体应用为例，展示Proteus在这些硬件类课程中的具体使用方法。