朱海洋

（廣東松山職業(yè)技術學院 廣東 韶關 512126）

利用Proteus仿真軟件構建單片機虛擬實驗室

朱海洋

（廣東松山職業(yè)技術學院 廣東 韶關 512126）

創(chuàng)建基于Proteus的單片機虛擬實驗室，利用功能強大的Proteus仿真軟件對單片機及其外圍器件進行仿真，實驗系統(tǒng)搭建簡單容易，仿真過程形象直觀，為單片機課程教學提供了一個很好的實驗手段。

Proteus；虛擬實驗室；構建；單片機；仿真

隨著單片機在各行業(yè)的廣泛應用，社會對掌握單片機技術的人才需求也越來越多，因而單片機技術已成為各高校電類專業(yè)開設的必修課程，單片機技術應用與開發(fā)也已成為學生就業(yè)的一個主要方向。但是單片機課程是一門理論性與實踐性都比較強的課程，在教學過程中必須將軟件與硬件結合，也就是將單片機程序與外圍電路相結合，才能使學生更好地將所學的單片機理論知識轉化為實際能力。

由于傳統(tǒng)的單片機實驗、實訓大都在實驗箱上進行，費用高且不能充分利用，往往導致學校不愿多開設實驗、實訓課，學生平時很難有機會實踐。即便在理論課堂上進行現(xiàn)場演示教學，效果也不盡如人意。

現(xiàn)在國內外有很多仿真軟件，如PspICE、OrCAD等均支持51系列單片機，但其共同缺點是對單片機電路的系統(tǒng)設計無法進行仿真。而專門針對單片機仿真的另一類軟件，如MedWin、偉福等，如果離開仿真器，僅僅進行純軟件仿真，效果也不好。Proteus仿真軟件則設計了一個符合要求的、純軟件的單片機虛擬實驗室系統(tǒng)，既可調試單片機程序，也可仿真單片機外圍器件的工作情況。

Proteus軟件簡介

Proteus是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的多功能EDA軟件，是目前最先進、最優(yōu)秀的單片機與嵌入式系統(tǒng)的設計與仿真軟件，具有資源豐富、開發(fā)周期短、系統(tǒng)設計與開發(fā)難度低、與實際設計接近程度大等優(yōu)點。除了具有其他EDA工具的原理圖布局、PCB自動或手工布線、電路仿真等功能外，Proteus軟件的最大特點是基于微控制器的設計連同所有的外圍電路一起仿真，可直接在單片機虛擬系統(tǒng)上對MCU編程，可對軟件源代碼進行實時調試，并支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如WAVE、Keil等軟件。同時，它具有電路互動仿真功能，通過動態(tài)外設模型，如鍵盤、LED/LCD等，可實時顯示系統(tǒng)輸入、輸出結果，或配合Proteus提供的虛擬儀器，如示波器、虛擬終端等實現(xiàn)交互仿真。利用Proteus仿真軟件對所設計的單片機系統(tǒng)進行仿真，不但在測試程序執(zhí)行時可見單片機某些寄存器值的改變，更能從工程的角度直接看到程序運行和系統(tǒng)工作的過程和結果。當虛擬單片機系統(tǒng)的仿真結果達到系統(tǒng)預期效果后，可再進行硬件實物開發(fā)。Proteus也因其強大仿真功能而備受各大高等院校師生的青睞，利用Proteus軟件構建單片機虛擬實驗室已經逐漸成為一種趨勢。

單片機虛擬實驗室的構建

虛擬實驗室也稱為合作實驗室，最早在1989年由美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）的威廉姆·伍爾夫（William Wulf）教授提出，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環(huán)境。虛擬實驗就是利用鼠標的點擊、拖動，將微機上各種虛擬儀器，按實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，同時在這個系統(tǒng)上完成整個實驗，包括元件的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實驗結果的模擬、分析等。

從現(xiàn)在高校的機房配置情況看，只要擁有一臺服務器、一臺教師機和三四十臺學生機的機房，在安裝了Proteus軟件后，足以構建一間單片機虛擬實驗室?；赑roteus的單片機虛擬實驗室，具備以下三個條件，完全可以滿足學生對掌握單片機知識的需求。

第一，能夠提供類似于真實單片機實驗室的必要的虛擬硬件設備。一般的單片機硬件電路的設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機自身的功能（單元ROM、RAM、I/0口和定時器/計數(shù)器等）不能滿足需要時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路；二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)的要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D轉換器、D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。很多常用的硬件電路的設計都可在Proteus軟件中實現(xiàn)，學生通過Proteus軟件的使用，不僅能實現(xiàn)教材上部分實驗，還可以學習硬件電路設計的方法。

第二，能夠進行應用程序的編寫和調試。學生通過使用WAVE、Keil等軟件編寫、調試應用程序，既可以掌握單片機各種指令的應用，也可以學會單片機軟件開發(fā)的步驟、方法和技巧。

第三，可以實現(xiàn)虛擬硬件和軟件聯(lián)合調試。利用WAVE、Keil等工具軟件與Proteus的聯(lián)合，可以方便地實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的仿真調試。

應用實例

筆者擬通過一個具體的單片機系統(tǒng)應用實例，以Keil作為軟件調試界面，以Proteus作為硬件仿真和調試界面，聯(lián)合實現(xiàn)對單片機系統(tǒng)的仿真。

實例要求用單片機和D/A轉換芯片輸出一鋸齒波。在Proteus中完成的電路原理圖設計如圖1所示。利用Keil軟件編寫程序并編譯，生產.HEX文件。

將Keil軟件生產的.HEX文件加載到Proteus原理圖的MCU中，運行并調試程序，在虛擬示波器中觀測到的結果如圖2所示，完全達到設計要求。

單片機虛擬實驗室在教學中的比較優(yōu)勢

利用Proteus仿真軟件與Keil或WAVE軟件聯(lián)合，構建單片機虛擬實驗室，對于高校的單片機課程教學而言具有明顯的比較優(yōu)勢。這種聯(lián)合搭建的仿真平臺可以完成單片機教學過程中的全部軟件實驗和絕大多數(shù)的硬件系統(tǒng)實驗。而且構建單片機虛擬實驗室所需硬件投入少，經濟優(yōu)勢明顯，不僅可以彌補實驗儀器和元器件缺乏帶來的不足，還不涉及原材料消耗和儀器損壞等因素，可以幫助學生更快、更好地掌握課堂講述的內容，加深對概念、原理的理解，彌補課堂理論教學的不足。虛擬實驗室的一個最大特點是具有開放性，只要告訴了學生具體的實驗內容、實驗方法，學生可以在實驗室以外完成，跨越了傳統(tǒng)教學的地域局限，學生可以自主完成一些單片機系統(tǒng)的設計與開發(fā)，這對進一步培養(yǎng)學生的綜合分析能力、排除故障能力和開發(fā)創(chuàng)新能力具有重要意義。

將Proteus仿真軟件納入單片機課程教學體系之中，創(chuàng)建單片機虛擬實驗室，可以將大量教學信息直接地表現(xiàn)出來，既可以改變這門課程在教學實踐中出現(xiàn)的生澀難懂、效果不佳的現(xiàn)象，實現(xiàn)形象化教學，激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效率，又可以充分利用計算機房的現(xiàn)有設備，減少實驗設備的硬件維護工作量，實驗環(huán)境又與實際工程系統(tǒng)非常接近，可拉近單片機學習與就業(yè)的距離。但是虛擬實驗是不可能代替實物實驗的。因此，應提倡實驗內容虛實交替、互為補充的原則，最終實現(xiàn)虛實并存，虛擬實驗為手段、實物實驗為目的的教學效果。

[1]安新艷.Proteus仿真技術在單片機教學中的應用[J].常州信息職業(yè)技術學院學報，2008，7（1）：28-29.

[2]伍馮潔，謝陳躍，謝斌.Proteus與Keil在單片機開放性實驗中的應用[J].電子測量技術，2008，31（6）：101-102.

[3]岳東海.基于PROTEUS的虛擬實驗室在實踐性教學中的應用[J].常州信息職業(yè)技術學院學報，2007，6（3）：47-48.

[4]張靜，李海.Proteus在單片機教學中的應用[J].中國西部科技，2008，7（29）：107-108.

[5]田亞娟.單片機原理及應用[M].大連：大連理工大學出版社，2008.

[6]韓穎.Proteus在單片機技術實訓教學中的應用[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2008，（31）：211-212.

（本欄責任編輯：謝良才）

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1672-5727（2010）08-0154-02

朱海洋（1978—），男，內蒙古赤峰人，碩士，廣東松山職業(yè)技術學院講師，研究方向為計算機控制技術及其應用。