摘 要：傳統(tǒng)的硬件仿真實驗室都是通過硬件仿真器配目標實驗板的方式構建的，這種仿真屬于驗證性實驗，不利于培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新能力。本文構建了一套基于Proteus的計算機硬件虛擬仿真實驗室平臺，將理論與實際相結合，不僅可以提高教學質(zhì)量和效率，也有利于培養(yǎng)學生的綜合能力及促進學校教學的改革。

關鍵詞：仿真實驗室；Proteus；硬件實驗

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2013） 09-0000-02

1 引言

隨著計算機技術的發(fā)展，仿真虛擬實驗室的綜合運用，社會對學生的綜合素質(zhì)要求也不斷提高，學生需要很強的動手能力和實驗能力[1]。使用Proteus軟件構建硬件仿真虛擬實驗室系統(tǒng)，不僅成本低，而且學生還可以按照自己的思路設計硬件系統(tǒng)，完成大多數(shù)實驗，從而提高學生的積極性和動手能力[2-3]。利用Proteus構建硬件仿真虛擬實驗室，不僅成本低，設備管理和維護簡單，還可以培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生的創(chuàng)造性和積極性。

2 虛擬仿真實驗室結構

2.1 Proteus仿真實驗室概念

所謂虛擬仿真實驗室是指利用計算機仿真技術，在計算機上學習電路、微機原理、嵌入式系統(tǒng)等課程，并進行對應的實驗（設計、仿真、調(diào)試、運行）。以虛擬設備代替實體設備、以軟件代替硬件，就是虛擬仿真實驗室的本質(zhì) [4]。

2.2 Proteus仿真實驗室系統(tǒng)架構

圖1 Proteus虛擬仿真系統(tǒng)架構

如圖1所示基于Proteus的虛擬仿真實驗室的系統(tǒng)架構，該Proteus是建立在計算機網(wǎng)絡平臺上的一個綜合設計實驗系統(tǒng)。本Proteus仿真虛擬系統(tǒng)是一個從概念到產(chǎn)品的完整系統(tǒng)，從圖中可以看出，該仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)原理圖設計、單片機編程、系統(tǒng)仿真、PCB設計。

2.3 計算機網(wǎng)絡平臺

由圖1可以看出，本課題的虛擬仿真實驗室的基礎是計算機網(wǎng)絡平臺，通過該計算機網(wǎng)絡平臺，學校內(nèi)師生可以在任何地點、任何時間對其進行訪問和使用學習。因此，將Proteus仿真系統(tǒng)服務器存放在校內(nèi)的網(wǎng)絡中心，與學校各師生進行網(wǎng)絡連接，可以保證本Proteus仿真系統(tǒng)的開放性，使得學校內(nèi)更多的師生可以使用該平臺，充分發(fā)揮其多學科實驗覆蓋的特性。該計算機網(wǎng)絡平臺的拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 計算機網(wǎng)絡平臺拓撲結構

2.4 Proteus軟件平臺

Proteus是一種功能強大的電子設計自動化軟件，使用Proteus軟件，可以實現(xiàn)原理圖設計、模擬電路設計、數(shù)字電路設計、MCU混合仿真和PCB系統(tǒng)設計，除此之外，Proteus還可以進行仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特點在于Proteus可以提供x86、單片機、ARM等系統(tǒng)的仿真實驗。

2.5 Proteus試驗系統(tǒng)

Proteus是該虛擬仿真實驗室中最核心的一部分，為了增強學生的認知度以及提高學生的動手能力和教師的教學能力，在仿真試驗中，應該首選利用Proteus繪制原理圖、編譯程序。而且在教學試驗中，為了提高教學的說服力，教師可以將自己編譯好的程序用編程器燒錄至Rom中，然后對目標實驗板進行運行并觀察結果，這樣可以給學生提供仿真和驗證的機會，避免了理論脫離實際。

3 虛擬仿真實驗室實驗內(nèi)容

通過對高校計算機硬件基礎課程教學內(nèi)容的研究與分析，充分發(fā)揮Proteus仿真實驗室的優(yōu)勢，本課題對x86、單片機的教學內(nèi)容進行拆分，把本仿真實驗內(nèi)容分為三類：基礎性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)造性實驗。

基礎性實驗包括MCU最小系統(tǒng)實驗、匯編語言程序設計實驗、中斷實驗、計數(shù)器實驗等以驗證性實驗，該實驗主要以提高學生對理論知識的吸納和提高學生的動手能力為主，目的在于使得學生能夠掌握書本的基礎知識。

綜合性實驗包括模擬交通燈控制設計、電子萬年歷設計、波形發(fā)生器設計、直流電機控制設計等以培養(yǎng)學生綜合能力的實驗。該實驗室基于基礎性實驗之上的實驗，是在學生完成硬件課程的基礎知識學習后開設的綜合性實驗，主要內(nèi)容是教師給定一個課題，學生按照課題的要求，對系統(tǒng)進行分析、電路設計、軟件設計、仿真調(diào)試、PCB設計與制作等。

創(chuàng)新性實驗是建立在基礎性實驗和綜合性實驗之上的一種創(chuàng)新實驗。學生在完成硬件課程學習的基礎上，利用本創(chuàng)新性實驗完成畢業(yè)設計等工作，學生可以根據(jù)自己的想法通過該系統(tǒng)完成設計與仿真，并對其進行研究。

4 虛擬仿真實驗室實驗方法

傳統(tǒng)的硬件實驗中，一般不存在硬件電路的設計，主要是因為傳統(tǒng)x86、單片機的硬件部分大多數(shù)都是由電路板或者實驗箱提供的，因此實驗多為驗證性實驗，缺乏創(chuàng)新性實驗，不利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。然而，基于Proteus的虛擬仿真實驗中，所有的硬件和軟件都可以由學生自主創(chuàng)新設計與實現(xiàn)，硬件的修改與軟件修改一樣簡單，大大節(jié)省了實驗的成本和時間。

5 虛擬仿真實驗室教學目標

通過本課題的基于Proteus的硬件虛擬仿真實驗室可以實現(xiàn)以下3個目標：

5.1 實驗教學系統(tǒng)的重大改革。通過本系統(tǒng)可以進行基礎性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，使得硬件實驗得到根本性的改變。在本系統(tǒng)中，電路設計、程序設計、仿真實驗、PCB設計與制作集為一體，教師和學生不再受時間、地點、設備的限制，充分享受實驗帶來的知識和樂趣。

5.2 教師教學模式改革。教師在課堂上引入本仿真實驗系統(tǒng)后，有利于教學課程的改革，將理論與實際聯(lián)系在一起，使得學生在最大程度上接收與掌握理論知識。

5.3 有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合能力。當前學生急需培養(yǎng)實驗動手能力和創(chuàng)新能力，在傳統(tǒng)的實驗當中，忽視了學生的設計能力培養(yǎng)，基本沒有設計到學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此普遍存在著學生學習的理論知識不知道如何運用到實際生活中去。

6 結束語

構建基于Proteus的硬件虛擬仿真實驗室系統(tǒng)，不僅可以減少學校的硬件投入，更可以幫助學生更好的掌握理論教學知識，加深對原理的理解。學生通過該系統(tǒng)進行基礎性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，加強學生的綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且，本系統(tǒng)也有利于促進教學系統(tǒng)的改革。

參考文獻：

[1]劉萌，鄭煊.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構建[J].山東教育學院學報，2009，6（4）：12-15.

[2]田建偉，胡德安.一種單片機虛擬實驗室的建立方法[J].現(xiàn)代電子技術，2009（14）：67-69.

[3]胡敬朋，王聰.基于Proteus的電子產(chǎn)品仿真設計[J].電氣電子教學學報，2009，5（4）：121-123.

[4]陳龍，張亞君.Proteus仿真軟件在單片機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2009（8）：87-89.

[作者簡介]郭榮寧（1957-），男，山東德州人，工作單位：解放軍理工大學通信工程學院，高級工程師，學士學位，研究方向：計算機應用。