Proteus虚拟仿真平台在物联网工程专业核心课程教学中的应用

王 斌

(江西服装学院 大数据学院，江西 南昌 330201)

我校(江西服装学院)物联网工程专业的人才培养方案中明确提出：建立与理论教学紧密联系的实践教学体系，加强理论教学与实践教学的融合；学生的知识结构应体现其专业知识和学以致用的能力，所有毕业生应具备解决专业涉及的复杂应用问题的能力。因此，加强物联网工程专业学生的专业知识应用和实践能力成为一个重要问题，应尽可能在现有环境条件下让所有学生得到充分有效实践。受新冠肺炎疫情的影响，2020学年春季学期，为了正常开展各项教学工作，几乎所有课程都转移到了线上进行，也即通过网络教学代替线下教学。线上教学最大的优势就是打破了空间和时间的限制，让身处任何地方的教师和学生都可在虚拟空间里完成教和学。然而对于实践性较强的课程，比如“电路与电子技术基础”“单片机原理与应用”“传感器原理及应用”等物联网工程专业核心课程，无法利用传统的实验室教学环境，实践教学的顺利开展将受到极大的限制。为了保障线上教学环境下专业核心课程的教学效果，我们将Proteus虚拟仿真与线上教学相结合，充分利用虚拟仿真平台的优势，通过Proteus虚拟仿真软件来模拟真实的实验环境，学生通过该平台可进行各种实验验证和综合设计开发，可有效保障学生实践能力的锻炼和提升[1]。

一、 物联网工程专业核心课程教学现状

“电路与电子技术基础”“单片机原理与应用”“传感器原理及应用”等均为物联网工程专业的基础核心课程，这些课程的理论知识抽象难懂，且较为枯燥，如果仅有理论教学，学生学习完课程后很难进行相关系统的设计，导致动手能力不足。因此，将实践教学与理论教学相结合是必然的选择。然而，传统的实验教学存在以下问题：

(1) 受新冠肺炎疫情的影响，无法做到在实验室环境下进行实验操作。

(2) 多数高校配备的硬件实验箱有限，难以做到每人1台，通常以3～5人一组进行实验，容易造成部分学生未能得到有效锻炼。

(3) 因实验箱本身的特性，配套实验多数为验证性实验，实验过程中可操作性有限，在锻炼和提升学生综合设计能力方面存在欠缺。

(4) 由于学生的实际操作经验不足，在进行硬件实验时容易出现误操作，造成芯片或电路板烧毁的情况，导致硬件成本大幅上升，还可能影响后续实验[2]。

(5) 实验场所一般较为固定，开放时间也有一定限制，势必造成学生实验存在时间和空间上的限制。

针对上述情况，我们帮助学生在个人计算机上快速搭建了基于Proteus虚拟仿真软件的教学环境，主要应用于“电路与电子技术基础”“单片机原理与应用”等物联网工程专业相关核心课程的理论和实践教学，在线上教学中取得了良好的教学效果。同时，为了更好地利用Proteus虚拟仿真软件的优势，满足线下教学的需求，我校大数据学院在物联网工程实验中心搭建了仿真环境，为进一步开展线上线下混合式教学提供了坚实基础。

二、 Proteus虚拟仿真平台

Proteus是由英国Lab Center Electronics公司开发的一款EDA工具软件[3-5]，它可实现从原理图布置、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真。该平台真正做到了将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三者融合于一体。Proteus支持8051、AVR、ARM、8086、MSP430以及Cortex和DSP系列等处理器模型，支持字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、七段数码管、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端等通用外设模型，以及使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信，并支持IAR、Keil等多种编译器。在仿真元器件资源方面，包括仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，仿真仪表资源众多，包括示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器等。同时还提供了模拟和数字测试信号，极其方便电路的测试。在此平台上可开展模拟电路与数字电路教学实验、单片机与嵌入系统软件教学实验、微控制器系统综合实验等多种课程的教学和实验。

物联网工程专业核心课程的实践性较强，软件和硬件结合、理论和实践结合是必然的选择。在任务驱动式教学的基础上，以Proteus虚拟仿真软件为核心，结合其他仿真软件，将其引入课程教学，可有效解决存在的相关问题。该仿真平台对计算机硬件的要求不高，普通的台式机、笔记本电脑均可快速搭建实现，极大地方便了学生在PC机上搭建Proteus虚拟仿真环境。学生可随时随地根据自己的构想来设计和搭建仿真电路，并快速得到仿真验证结果，极大地提高了设计制作系统实物的效率和成功率。

三、 Proteus虚拟仿真软件在物联网工程专业核心课程教学中的应用

1. 在“电路与电子技术基础”课程中的应用

在各种电子设备中，直流电源是不可或缺的部分，在“电路与电子技术基础”课程中，直流电源模块电路所涉及的电路知识也是十分重要的。因此，以直流电源电路设计为例，设计如图1所示仿真电路。输入的交流电经由4个二极管构成的桥式电路整流后初步变成直流电，然后进行电容滤波，最后利用7805稳压模块，将输出的直流电稳定在5 V左右，仿真输出波形如图2所示。通过以上Proteus仿真快速实现了直流电源电路的设计和验证，直观效果明显，十分有助于模拟电路知识的理解和学习。

图1 5 V直流电源电路仿真

图2 5 V直流电源电路仿真输出过程波形

在数字电路学习中，组合逻辑电路和时序逻辑电路是课程的核心内容。在组合逻辑电路中，加法器、比较器、编码器等均是重要学习内容，在学习理论知识后通过Proteus仿真平台，让学生根据所学知识设计搭建仿真电路，并验证仿真结果与理论结果是否吻合，在进一步加强学生对所学知识有效掌握的同时，大大增加了学习的趣味性。

以利用1片74HC283构成一个4位二进制加法器组合逻辑电路为例，设计仿真电路如图3所示，同时选择4片异或门电路74HC86和5个LED灯来构成输入电路和输出显示电路。在该电路中，当C0=0时，b0-b3向B0-B3输出原码，此时进行加法运算，即S=A+B+C0=A+B；当C0=1时，b0-b3向B0-B3输出反码，此时进行减法运算，即S=A+B+C0=A+B+1=A+(B)补=(A-B)补。在进行测试实验时，初步选择8组参数进行实验，其中加法和减法各4组，仿真运行并观察输出结果，并将输出结果填入真值表中，同时将仿真输出结果与理论分析结果进行对比分析，检验两者是否一致。此仿真实验使学生对加法组合逻辑电路有了更加清晰和深入的认识和理解，在学习其他组合和时序逻辑电路时均采取类似的教学方法，效果良好。

图3 4位二进制加法器逻辑电路设计与仿真

2. 在“单片机原理与应用”课程中的应用

在“单片机原理与应用”课程中，重点学习了单片机I/O口、中断、定时/计数器、串口数据传输、I2C通信、SPI通信等重要知识[5-6]。这里以单片机与上位机之间串口数据传输仿真为例，快速搭建仿真电路，如图4所示。

图4 单片机与计算机之间串口通信电路仿真

单片机选择最简单的51单片机作为主控核心，并通过MAX232芯片实现TTL电平与RS232电平之间的转换，实现数据的正常通信。同时P0口控制7段数码管显示上位机发过来的数字，通过按键控制外部中断0实现单片机向上位机发送数据，上位机通过虚拟串口软件虚拟出2个互联的串口，并利用串口调试助手实现上位机的数据接收和发送，例如上位机发送数字“9”，数码管就显示对应的数字(如图4所示)。此仿真可使学生快速掌握串口通信和外部中断的基本原理和应用，同时仿真电路还可完全移植到实物电路中进行应用，使得学生的理论分析和实战能力都得到了锻炼和提升。

3. 在“传感器原理及应用”课程中的应用

在“传感器原理及应用”课程中，涉及温度、湿度、压力、光敏、位移等多种类型传感器，在Proteus仿真平台中已初步集成了DS18B20温度传感器、GP2D12红外测距传感器、MPX4115压力传感器、SHT11温度湿度传感器、光敏电阻传感器等多种类型的传感器。此外，若仿真系统中未集成某种类型传感器时，可根据该类型传感器的基本原理模拟和设计传感器电路，使学生对传感器原理和电路设计有更加明确和深刻的认知，对传感器原理的学习起到进一步的促进作用。

以集成式温度传感器DS18B20为例进行应用电路仿真设计与实验，仿真电路如图5所示。在该传感器应用仿真电路中选取51单片机为核心控制器，实现对DS18B20温度传感器的温度数据采集，并对采集后的数据进行分析和处理，处理完后将温度值传送到LCD显示屏上显示。此外，利用示波器对传感器的输出信号波形进行实时观测，进一步强化了对该型号传感器的认知。

图5 DS18B20温度传感器应用电路仿真

将Proteus虚拟仿真软件引入“传感器原理及应用”课程教学，使学生不但掌握了各种类型传感器的基本工作原理，而且初步掌握对各种传感器的应用，进一步强化了学生的动手设计和系统构建应用能力，极大地提升了课程学习效果。

四、 结语

在物联网工程专业核心课程的实践教学中，以计算机虚拟仿真为核心，以项目驱动为主线，将Proteus虚拟仿真软件应用于课程教学，打破了传统实验教学的时间和空间限制，让学生随时学、随地学；减少了传统实验教学对学生动手设计和系统构建应用能力的限制，学生可根据设想进行任意构建和设计，充分发挥想象力和综合设计能力；大大减少了实验平台成本和后期维护成本，仿真设计过程中出现任何失误，均只需重新设计即可，几乎不需要成本投入；一套虚拟仿真平台可应用于多门物联网工程专业课程的实践教学，学生学习和使用的延续性强，平台使用成本投入少。因此，Proteus虚拟仿真在教学中得到了很好的应用和推广，教学效果也得到了高度认可，为物联网工程专业核心课程的教和学提供了良好的支撑和保障。