基于Proteus的电子技术综合设计虚拟实验环境建设

袁小平, 李子旋, 陈 烨, 徐书杰, 金 鹏

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

虚拟仿真技术探索与实践

基于Proteus的电子技术综合设计虚拟实验环境建设

袁小平, 李子旋, 陈 烨, 徐书杰, 金 鹏

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

以“电子技术综合设计”课程为例,从实验目标、实验内容、实验效果等方面介绍了Proteus 在电子技术综合设计课程教学中的应用,指出在虚拟实验环境应用中应该注意的问题。虚拟仿真实验室不需要花费大量经费购置仪器设备,使用Proteus软件进行电子技术综合设计教学和实验,可加深学生对电子电路、单片机、嵌入式系统等相关技术的理解,取得了较好的实验教学效果。

Proteus； 电子技术综合设计； 虚拟实验室； 虚实结合

早在1999年,国内部分高校联合起草了关于国家级电工电子实验教学示范中心的建设标准,中国矿业大学是该建设标准起草单位之一。2000年,中国矿业大学面向本校电气、信息和电子类专业的学生开设了“电子技术综合设计”实践课程。该课程需要综合模拟电子技术、数字电子技术、数字系统设计、微机原理应用等多门课程的知识,是一门理论与实践并重的课程。由于该课程涵盖的一些基本理论和概念比较抽象(例如中小规模集成电路的基本原理),以至于初学者难于深入理解和掌握。为了能够提高该课程的教学效果,在讲解实际电路时,更应该注重实验项目的设置。目前，国内外教育界广泛流行的Proteus软件包能够提高电子产品的开发效率和开发周期,降低电子产品的开发风险和开发成本,在教学、科研和产品开发方面已经被普遍使用。本文以中国矿业大学“电子技术综合设计”课程为例,从实验目标、实验内容、实验效果等方面介绍了Proteus软件在电子技术综合设计虚拟实验教学的环境建设。

1 基于Proteus的虚拟实验环境

伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展,电子设计自动化(EDA)已成为电子设计与创新领域最常用的设计手段。EDA利用计算机仿真技术和计算机虚拟技术,使电子产品的原理图设计、结构设计、制造、加工以及性能分析全部利用计算机完成。虚拟技术实际上是利用计算机轻松、快速、准确地完成电子电路的分析与设计的技术[1-3]。采用虚拟技术进行实验教学有很多优势,它既能解决实验室中元器件的不足,也可以减少仪器和设备的损坏,还能扩展实验室的实验空间。在电子产品的设计中,计算机仿真是必不可少的环节。因此，有必要让学生掌握专业设计EDA类软件(包括Matlab、Proteus、Multisim等电路设计与仿真工具)、PCB设计软件以及分析类软件的使用方法。

为此,笔者将建设虚拟实验环境作为一种能够改进课堂教学和实验实践教学的手段，将其引入“电子技术综合设计”的课程教学中来,并自1999年以来在自动化专业的教学中沿用。

所谓虚拟实验环境,实际上就是按照实验任务的具体要求和设计的原理,利用虚拟仪器模拟出与实际情况基本相同或相似的实验系统,进而可在此系统上完成整个实验。可以看出,选择合理的支持仿真功能的EDA软件是建设虚拟实验环境的关键所在。英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件Proteus是一款电路设计与实物仿真软件,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。它功能强大,兼备一般EDA工具的软件仿真能力和单片机外围器件的仿真能力,是目前比较流行的工具软件。Proteus是现今唯一的能够结合电路软件仿真、PCB设计和虚拟仿真于一体的设计平台,从硬件原理布图、软件代码的调试到外围电路的协同仿真,真正做到了从概念到产品的完整设计。通过将编译过的目标代码加载到原理图中的MCU器件上,就可以实现在没有实际电路的情况下进行软硬件的联合调试,非常适合以硬件为基础的实践教学课程。采用该软件与Keil等集成开发工具共同搭建的虚拟实验环境,已在电子技术综合设计课程的教学中得到了广泛的应用。

2 Proteus在电子技术综合设计课程中的应用

2.1 课程实验目标

在电子技术综合设计实验教学中,有大量的电路设计和作品制作的内容。为了让学生掌握电子电路原型设计、测试分析的整个过程,设计了基于Proteus等软件的电子电路设计EDA虚拟仿真实验。Proteus虚拟仿真实验系统是集综合性、开放性和先进性及创新性于一体的实验平台[4-6]。实验系统采用Proteus软件平台,用仿真的方法进行所有的实验,并要求在实际的硬件平台上验证仿真结果。学生通过该实验系统的仿真,既能了解实验的技术细节,又可以通过实际硬件电路的实验过程建立对实验的感性认识。

2.2 课程实验内容

“电子技术综合设计”课程虚实结合的实验内容，主要包括直流电机调速系统、低频函数波形发生器、数字式电容分档测量、LED汉字点阵显示系统设计、数控直流电源、多功能数字电子表、数字温度计、简易频率计、电子伏特表、交通灯控制系统、温控万年历、可切换遥控温控风扇、程控测量放大器等13项。以直流电机调速系统和低频函数波形发生器为例说明如下。

(1) 直流电机调速系统。采用基于单片机的实验系统,对直流电机调速系统进行原理设计和仿真实验,采用光电对管实时在线检测直流电机的转速并采用PWM技术控制电机的转速。要求学生在Proteus平台上绘制电路图,根据要求设置不同参数,然后通过Proteus软件自带的虚拟仪器设备仿真出实验结果,并利用该软件设计PCB板图。最后在PCB板加工实验室利用机械雕刻或者化学腐蚀的方法制做出PCB板(见图1)。

(2) 低频函数波形发生器。设计一个低频函数波形发生器,使其能够产生频率为0.1 Hz～1 kHz的正弦波和三角波,并且能显示出当前产生的波形的频率。要求学生在Proteus平台上绘制电路图,根据要求设置不同参数,然后通过Proteus软件自带的虚拟仪器仿真出实验结果,并制作PCB板图。仿真结果和实物作品如图2和图3所示。

2.3 实验效果

学生通过虚拟实验教学系统的学习,以及原理图设计、电路仿真、编程调试、系统仿真、PCB设计和实物作品制作实践,受到从概念到产品设计全过程的训练。开展实物实验前,学生进行虚拟仿真实验可以了解实验的技术细节,以避免因为实际操作不当而损坏实验设备,同时避免因不熟悉仪器设备的操作而浪费实验时间。

3 应用虚拟实验教学环境应注意的问题

3.1 加强虚实结合、互为补充

图1 电机调速电路模拟仿真图

图2 低频函数发生器设计与仿真图

图3 低频函数发生器实物作品

Proteus虚拟实验环境为电子综合设计实验提供了便利,使学生在没有真实电路和仪器设备的情况下,也能够通过虚拟仿真、参数模拟进行系统硬件的设计、软件的开发与调试[7-12]。但是,虚拟仿真和实际的电路还是有许多不同之处。通常,在电路工作过程中表现出的一些电气特征取决于多个因素,包括集成电路、分立元件、电路导线、运行环境等；而Proteus只是模仿这些特性,其外部的表现主要和所使用的仿真软件、计算机运行性能等因素有关。所以即使在Proteus虚拟实验环境下可以正常工作的电子电路也有其设计的不足之处,并不能保证在真实环境下正常运行。例如,电路在仿真运行中没有考虑元件相关参数受温度变化、电磁干扰的影响。初次进行电路设计的学生在判断电路设计是否正确的时候,如果单纯以Proteus的仿真结果作为标准,则可能出现认识上的偏差,从而误导以后的设计。为此,在教学过程中,教师需要非常熟悉Proteus的功能与特性,了解Proteus虚拟仿真在哪些方面存在的不足,应要求学生通过硬件实物电路进行验证,从而使得学生积累虚拟仿真的设计经验。

3.2 能实不虚,杜绝以虚代实

建设和使用虚拟实验教学环境时,应意识到学习与实验过程的重要性。通过Proteus虚拟仪器设备和电路的动态展示功能,可以使比较抽象的课程理论知识变得生动、形象,实验室里没有的真实仪器设备在虚拟实验教学环境中所见即所得,有利于激发学生的学习兴趣,提高学生的电子设计实践能力。但是,在实际的实验教学的过程中,也会有一部分学生过于注重仿真演示效果,甚至将其作为判断电子系统设计正确与否的唯一依据,从而进入过度重视虚拟仿真效果的误区[13-15]。若仅把Proteus演示作为实验的目标,会使学生缺乏对电路原理的理解。因此,在通过Proteus虚拟实验环境进行教学的过程中,应该让学生意识到Proteus只是一种电子系统综合设计的工具,有助于理解电路设计原理、培养和拓展电子设计思路、提高电子设计创新能力；而电子系统设计是否正确,最终还是要依赖于实际电路的运行结果。

4 结语

将Proteus用于“电子技术综合设计”课程实验教学,通过设计开发多种基于EDA技术的典型设计案例,在实验过程中充分发挥Proteus软件的优势。通过电路设计与仿真,虚实结合,可以让学生设计出实际电子电路,极大地提高学生的电子设计能力和实践创新设计的能力。

References)

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Construction on virtual experimental environment for comprehensive design of electronic technology based on Proteus

Yuan Xiaoping, Li Zixuan, Chen Ye, Xu Shujie, Jin Peng

(School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

By taking the Comprehensive Design of Electronic Technology course as an example, this paper introduces the application of Proteus to the Comprehensive Design of Electronic Technology course from the aspects of the experimental objectives, experimental content, experimental results, etc., and points out the problems that should be paid attention to in its application to the virtual experimental environment. The virtual simulation laboratory does not need to spend a lot of money on the acquisition of instruments and equipment, and the use of Proteus software for the teaching and experiment of the Comprehensive Design of Electronic Technology course can deepen the students’ understanding of electronic circuits, microcontrollers, the technology related to embedded systems, etc., so as to achieve the better experimental teaching effect.

Proteus; comprehensive design of electronic technology; virtual laboratory; virtual-real combination

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.025

2017-03-02

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015B132)；中国矿业大学教改项目(2016CG03)

袁小平(1966—),男,江苏扬州,博士,教授,国家级电工电子实验教学示范中心主任,主要研究方向为电子系统设计、物联网技术、智能仪表与故障诊断.E-mail：xpyuankd@163.com

TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0104-03