Proteus在《微机原理与接口技术》教学中的应用

2018-06-21陈逸菲王玉芳孙宁

软件导刊 2018年5期

陈逸菲王玉芳孙宁

摘要：针对《微机原理与接口技术》课程传统理论教学和实验教学中存在的问题，提出将仿真软件Proteus作为辅助工具引入教学中。分析了使用Proteus为课程教学带来的革新和好处，介绍了Proteus在理论教学方法、实验项目设计、实验考核方式等方面的应用情况，指出了使用Proteus需要注意的事项。实践表明，在课程教学中引入Proteus，能提高教学效果及学生的综合设计能力。

关键词：Proteus；仿真软件；理论教学；实验教学

DOI：10.11907/rjdk.172731

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0220-03

Abstract：Aiming at the problems in traditional methods of theoretical and experimental teaching， we introduce Proteus as an auxiliary tool into the course of Microcomputer Principle and Interface Technology. The reform and advantages brought by Proteus are analyzed. Our exploration in the teaching methods of theoretical curriculum， the design of experiment items， and the examination method of experimental course based on Proteus is presented. Some attentions that should be paid on the utilization of Proteus in teaching are also pointed out. Our practice shows that the teaching effect and students comprehensive design ability have been improved to some extent after we introduced Proteus into the curriculum.

Key Words：Proteus； simulation software； theoretical teaching； experimental teaching

0 引言

Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，集电路图设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能对电工、电子电路进行设计与分析，还能对微处理器进行设计和仿真[1]，在单片机教学中应用非常广泛[2-4]。笔者所在学院将Proteus作为自动化等专业选修的一门工具软件，自2011年起在《微机原理与接口技术》相关课程教学中引入了Proteus。数年的探索和实践发现，将Proteus作为一种教学辅助工具，可以弥补传统理论与实验教学方式的不足。

1 Proteus在教学中的优势

如图1所示，Proteus可以弥补传统基于实验箱的实验教学缺陷，并可为理论教学带来便利。

1.1 学生可随时实验

Proteus在《微机原理与接口技术》教学中的应用研究在2010年前后出现[5-6]。与单片机类课程不同，《微机原理与接口技术》教学的主要处理器芯片8086和其它可编程接口芯片一般在专业实验室才能接触到。对于一些综合性、设计性的实验项目，学生需要用课外时间准备、调试、修改等，而实验室开放时间、设备数量有限，显然不方便，但使用Proteus基本可以解决此问题。大多数接口部分的验证性实验和综合设计可以在安装了Proteus的个人电脑上进行，学生随时可动手实验。

1.2 教师可随时演示

《微机原理与接口技术》同时涉及软硬件，知识点分散又前后交叉，学好不是一件容易的事。一些重要的知识点通过直观的实例演示有助于理解，目前普遍采用的方法是在课件中通过动画展示。但是制作动画工作量较大，而且不够灵活。如果教室电脑上安装Proteus，教师上课时就可以随时对电路进行动态仿真，这种方式灵活且交互性强，更容易吸引学生的注意力，提高学生学习热情，进而提高教学效率[7]。另一个好处是，实验工具融入理论教学中，学生在实验课上也会适应Proteus的使用。

1.3 锻炼软硬件综合设计能力

实验箱在实验教学中的一大缺点是硬件电路基本固定，灵活性差[8]。以笔者所在学校使用的DVCC-8086实验箱为例，所有接口芯片的端口地址范围均是固定的，学生只需进行少量连线就可完成硬件电路，基本谈不上接口电路设计。此外，受实验箱所限，可用的芯片及元件数量和种类有限，一些超出限制的综合设计无法实现。

使用Proteus进行接口电路实验，学生需要绘制完整的电路，因而相对于仅需少量连线的实验箱实验，对实验原理的理解会更加透彻且硬件电路设计更加灵活：可以根据需要自行設计系统的译码电路，获得不同的端口地址，只要是Proteus元件库提供的元件均可使用。因此，使用Proteus的微机原理实验能更加全面地锻炼软硬件设计能力。

1.4 课时利用率高

传统实验箱或设备由于使用人数多，非常容易出现故障，影响实验效果[9]。而采用Proteus进行仿真实验，不存在设备损耗，不需要维护，不会因为故障影响使用。每个学生可独立进行实验，确保了课时的充分利用。

1.5 可移植性强

即使采用实验箱进行实验，Proteus仍然可以作为有效的教辅工具。因为只要了解实验设备中端口地址范围的分配和元器件配置，就可以在Proteus中搭建对应的仿真电路。学生课前可在仿真电路基础上预习实验箱上的项目，完成对应软件程序的编写。课内再在实验箱上运行实验，观察结果，可以提高效率，事半功倍。课后可在Proteus环境下“再现”实验项目，进行分析、调试和拓展。

2 Proteus使用探索

笔者在《微机原理与接口技术》课程教学中，从实验项目设计、理论课教学方式、实验考核方式等方面对Proteus的使用进行了探索，如图2所示。

2.1 理论课教学探索

将理论部分典型例题用Proteus仿真，通过多媒体系统演示可以收到较好的教学效果。比如对8253的6种工作方式，可以选择部分进行仿真，让学生在课堂上通过Proteus的虚拟示波器看到OUT端输出波形的实时变化，通过改变电路中GATE端电平信号，观察OUT的变化。还可演示DAC0832在单缓冲方式下输出三角波、锯齿波等波形，双缓冲方式下输出同步波形等。比起书本上枯燥的文字和图形，动态仿真更能吸引学生。虽然课件也有动态效果，但制作费时且不够灵活，交互性差。

有些理论内容在实验箱上没有对应实验，也可以用Proteus展示给学生。比如非屏蔽中断在DVCC-8086实验箱上没有对应的实验项目。但是相对于可屏蔽中断，非屏蔽中断不需要中断控制器8259A的管理，硬件电路和软件设计相对简单，但掌握了非屏蔽中断的程序设计对可屏蔽中断的程序设计是有帮助的。因为两者都涉及中断向量的初始化以及中断服务子程序的设计。笔者在介绍中断技术这一章时，就通过非屏蔽中断例子说明中断程设计的一般步骤，讲到8259A后再进行拓展，让学生对比两类中断的区别和联系。

由于理论课时有限，有些内容非常实用但在课堂上没有时间展开，可以采用Proteus仿真的方式进行展示。简单讲解原理，比如行列式键盘工作的原理和数码管的动态显示等，鼓励学生课后自己去验证，或者在实验课的综合设计中使用。

2.2 实验项目设计

Proteus提供了微机原理课程中的CPU（8086）和主要接口芯片，常见的存储器、锁存器、缓冲器、译码器等芯片，以及人机交互所需的元件，如按键、LED、七段数码管、LCD等。在这些芯片和元件上不但可以进行基础性、验证性实验，还可以完成综合性、设计性实验。表1列出了笔者在实验教学中设计的部分实验项目、采用的主要元器件芯片（不包含最小系统和译码电路部分）和知识点之间的关系[10-11]。

学生在理论课教学中经常看到老师用Proteus演示实例，在课内实验中经常动手用Proteus进行验证性实验。等课程快结束时，已经能非常熟练使用Proteus了，常用的接口芯片都已经学习且做过实验，这时完全可以综合利用学过的芯片（2种以上）完成综合性设计。

表1中带*的题目具有一定的综合性，可以在Proteus平台上实现[10]，在教学实践中大部分学生可以较好地完成这些综合设计任务。以“电子发声器设计”为例，要求学生实现2段以上音乐的播放，通过按键选择播放音乐和停止，由发光二极管表示对应的播放状态，发声用8253控制，按键和发光二极管可通过8255A控制。通过查阅资料可以了解到，实现音乐的播放需要音阶和节拍，结合之前的验证性实验，学生就可完成此设计。

2.3 实验考核方式探索

（1）上机考试。要求学生在Proteus平台上进行电路和程序设计，在规定的时间内完成试题，得到正确的仿真结果，教师打分。

（2）综合设计演示加口试。提前1～2周给出若干综合设计题目，学生选择并独立完成。提交时，学生现场演示、老师提问，根据演示、回答问题及报告完成情况综合打分。

总体来看，前者适合实验课时较少的情况，考察一般都是验证性的实验项目；后者在实验课时较多的情况下效果较好，学生的积极性也较高。

3 Proteus使用注意事项

在《微机原理与接口技术》课程教学中使用Proteus需要注意以下问题：

（1）Proteus作为一种软件仿真工具，不能完全取代硬件实验设备。Proteus本身有一些Bug，以7.5版本为例：8253不能正确锁存读，用锁存读命令读出的当前计数值总是0；8259A往数据总线上送出的中断类型码不能被8086正确识别[12]。对于这类情况，可采用仿真与硬件实验设备结合的方式，Proteus有Bug的部分用实验箱代替。

（2）教师要给予学生充分的指导。用Proteus进行接口仿真实验时，绘制的电路和编写的程序中任何一部分出现错误都不能得到正确结果。初学者在绘制电路时特别容易出错，比如网络标签忘记放置或者使用错误、发光二极管阳极阴极不分等。学生需要一个适应过程，教师应给予充分指导。教师经验越丰富，越能及时帮助学生解决问题、度过适应期。

4 结语

笔者对《微机原理与接口技术》课程教学中应用Proteus进行了一些探索，发现Proteus是一种有效的教学辅助工具：理论教学通过仿真演示实例可使知识点讲解更加形象生动，实验教学中Proteus可弥补硬件实验设备资源数量有限、开放时间有限、易损坏等缺点，给学生提供更多动手机会。Proteus在《微机原理与接口技术》课程教学中的其它应用，如案例式教学，与慕课、微课相结合进行教学还有待研究。

参考文献：

[1] 朱清慧，张凤蕊.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2] 张毅刚，俞洋，刘丹，等.单片机原理与应用设计（C51编程+Proteus仿真）[M].第2版.北京：电子工业出版社，2015.

[3] 林立，张俊亮.单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C[M].第3版.北京：电子工业出版社，2014.

[4] 彭伟.单片机C语言程序设计实训——基于8051+Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5] 吉向东，李新鄂.基于Proteus的微机原理实验仿真[J].信息技术，2010，18（2）：36-39，44.

[6] 田社平，俞水锋，方向忠，等.Proteus在微机原理课程教學中的应用[J].电气电子教学学报，2011，33（5）：70-72.

[7] 杨青丽.《微机原理与接口技术》课程教学探讨[J].实验科学与技术，2013，11（1）：92-94.

[8] 颜珂斐.《微计原理及接口技术》实验课程改革[J].实验科学与技术，2013，11（5）：74-76.

[9] 朱敏玲，张伟，侯凌燕.基于Proteus的微机原理与接口技术教学改革[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：155-160.

[10] 陈逸菲，孙宁，叶彦斐，等.微机原理与接口技术实验及实践教程——基于Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2016.

[11] 张颖超，叶彦斐，陈逸菲，等.微机原理与接口技术[M].第2版.北京：电子工业出版社，2017.