林偉 蔡丹鳳

摘 要：嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)難，學(xué)生學(xué)習(xí)易受阻，硬件設(shè)施繁雜，導(dǎo)致了教學(xué)過程中出現(xiàn)很多問題。為此，我們在教學(xué)環(huán)節(jié)引入Proteus軟件。Proteus軟件不僅可以在課堂教學(xué)中進行演示，也可在實驗教學(xué)和課程設(shè)計中對電子電路進行驗證、設(shè)計，綜合不同階段的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的動手能力，逐步掌握硬件系統(tǒng)設(shè)計;通過Proteus軟件的動態(tài)仿真，學(xué)生可以更加快速有效地排查電路中故障錯誤，提高學(xué)習(xí)效率。在教學(xué)中引入Proteus軟件對于教學(xué)成果和成本方面，具有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：Proteus;嵌入式系統(tǒng);實驗;動態(tài)仿真

1概述

現(xiàn)代電子電路設(shè)計已經(jīng)進入電子設(shè)計自動化時代，電路仿真是電子設(shè)計自動化中的一項重要技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的分析、設(shè)計、檢測、改造和技術(shù)革新等方面。嵌入式系統(tǒng)是以計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機軟件以及其他相關(guān)電子技術(shù)為基礎(chǔ)上發(fā)展而來的綜合技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下主流發(fā)展研究技術(shù)，對于具備一定嵌入式開發(fā)能力的人才在企業(yè)非常受歡迎。在當(dāng)前高校普遍開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)課程中，普遍采用的微處理器是8位的單片機8051，32位ARM7TDMI 核的飛利浦NXP LPC系列和三星S3C44B0芯片。實驗教學(xué)中往往以單片機作為學(xué)習(xí)嵌入式的基礎(chǔ)鋪墊，待基礎(chǔ)掌握后將ARM7內(nèi)核CPU 作為升級版單片機引入，輕松過渡到ARM平臺。

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，課堂環(huán)節(jié)基本是在傳統(tǒng)實驗箱基礎(chǔ)上輔助純理論教學(xué)，由于硬件的限制，學(xué)生可自主實驗和拓展項目較少，不利于創(chuàng)新學(xué)習(xí)。針對傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，為此將Proteus軟件引入到課堂教學(xué)、實驗、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計中，能起到更好的學(xué)習(xí)效果。這種教學(xué)方案將傳統(tǒng)理論教學(xué)可以實時的與實驗相結(jié)合，不僅可以提高理論教師的實踐能力同時對于學(xué)生而言，不會產(chǎn)生對理論的抵觸心理，更多的實驗自主能夠更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新興趣。

2 Proteus軟件介紹

Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是目前世界上最先進、最完整的嵌入式設(shè)計與仿真平臺，由英國Labcenter 公司開發(fā)的[1]。Proteus主要由ARES、ISIS兩大模塊構(gòu)成，ARES主要用于印刷電路板（ PCB） 的設(shè)計及其電路仿真，ISIS 主要用于原理圖的設(shè)計并仿真。在Windows 操作系統(tǒng)平臺，可以對各種模擬器件和集成電路進行仿真、分析（ SPICE）。

Proteus軟件和其它EDA工具軟件一樣提供仿真功能，但是它還能從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB 設(shè)計，實現(xiàn)了真正意義上的從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。能夠同時提供將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三大功能的軟件目前只有Proteus軟件;在編譯方面，它也支持IAR、Keil 和MatLAB 等多種編譯。

3 Proteus軟件在實驗教學(xué)中的優(yōu)越性

教師在實際教學(xué)中通過Proteus和Keil搭建虛擬實驗平臺，同時引入仿真平臺，輔以硬件實驗的驗證，可以使得學(xué)生更好的由理論過渡到實踐，對于產(chǎn)品的電子系統(tǒng)能夠有更全面的理解和掌握[2]。畢業(yè)生在自己的畢業(yè)論文設(shè)計中可以采用Proteus軟件為輔助手段;學(xué)生可以采用Proteus軟件為輔助手段，進行大學(xué)生科技創(chuàng)新活動，或參加市級以及全國各類電子設(shè)計競賽活動。下面是利用Proteus軟件進行仿真和硬件驗證的流程圖：（圖1）

針對Proteus軟件以上多種優(yōu)點，建立一個Proteus實驗室，它的出現(xiàn)為電類專業(yè)的實驗教學(xué)帶來了前有未有的新思維和解決之道。Proteus實驗室可以為教學(xué)創(chuàng)造一個更加優(yōu)質(zhì)的平臺，在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，實驗室具有如下的優(yōu)點：

3.1 功能多樣化 Proteus軟件除了提供仿真電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗外，同時還可以對嵌入式系統(tǒng)實驗仿真，提供嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）仿真實驗功能是它區(qū)別其它軟件的最大特點，因此，Proteus軟件是一個多功能的實驗平臺。它的多樣化功能解決了教師教學(xué)過程中可能出現(xiàn)硬件設(shè)備不齊全問題。

3.2 資源開放 由于其硬件是基于網(wǎng)絡(luò)平臺的，如一個單位內(nèi)的局域網(wǎng)、或企業(yè)網(wǎng)、或校園網(wǎng)（或單機板，基于一臺PC）或Internet用戶。因此解決了學(xué)生受傳統(tǒng)實驗室的時間、空間、及實驗內(nèi)容的限制問題，可以發(fā)揮自身的學(xué)習(xí)熱情來學(xué)習(xí)，更好的解放由傳統(tǒng)硬件帶來的思維限制，提高創(chuàng)新能力，同時也可以最大發(fā)揮設(shè)備的利用率。

3.3 內(nèi)置資源先進 Proteus實驗室主要由其Proteus仿真軟件實現(xiàn)，軟件內(nèi)部包括萬種以上元器件及多達30多個元件庫，多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表，豐富的測試信號源，先進的混合仿真系統(tǒng)（SPICE電路仿真器+數(shù)字仿真器+MCU仿真器）?；谏鲜鰪姶蟮膬?nèi)置配備，可以保證實驗室的先進性。另外，軟件提供用戶自己制作器件模型，英國Labcenter公司也能夠為用戶制作，此外，軟件跟硬件相比升級更為方便，幾乎無成本，可以保持軟件庫中的器件的實時先進性，保證了實驗室的先進性。

3.4 實驗創(chuàng)新化 Proteus仿真軟件內(nèi)置的豐富資源是進行創(chuàng)新型實驗研究的基礎(chǔ)。軟件庫中提供了儀器儀表、信號源、元器件、器件模型，教師利用軟件設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容或者進行創(chuàng)新實驗的研究，學(xué)生除了完成實驗內(nèi)容外可以自己研究感興趣的內(nèi)容，由于豐富的軟件庫中器件，不受到傳統(tǒng)硬件的束縛，可以更好的放開思維，展開實驗仿真學(xué)習(xí)，對于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有重大的意義。

3.5 易管理、易維護 由于其核心為Proteus仿真軟件，在實驗過程中不會產(chǎn)生損耗問題，軟件的管理、維護也僅僅是帳戶的管理、軟件的安裝及更新，設(shè)備的管理工作量得到了降低，可以將更多的時間精力投入到實驗創(chuàng)新研究中。

3.6 低投入、高回報

將Proteus實驗室與傳統(tǒng)實驗室對比，投入低，回報高。教師只需建立相應(yīng)的計算機網(wǎng)絡(luò)平臺（也可使用已有的計算機網(wǎng)絡(luò)平臺），外加購買一套Proteus網(wǎng)絡(luò)板軟件，部分實驗驗證板即可。幾乎不會產(chǎn)生維護費用，此外，建立這樣的實驗室還可以被嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）、微機原理與接口技術(shù)課程學(xué)習(xí)用到，做到資源利用的最大化。

4 Proteus軟件的應(yīng)用實例

由于液晶顯示器的低功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中[3]。在LCD顯示電路的硬件電路中，我們通常使用LPC2106芯片和LM016L顯示模塊。LPC2106由一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7 局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線組成。LM016L液晶模塊通過指令編程來完成讀寫操作、屏幕和光標(biāo)控制。LCD顯示電路電子電路圖如下圖所示：

圖2 ?LCD電子電路圖

我們可以看到，雖然在這個電路中，電路并不復(fù)雜，但是LPC2106這個芯片是雙電源芯片，CPU操作電壓范圍為1.65V～1.95V（1.8V ±8.3%） ，I/O電壓范圍為3.0V～3.6V（3.3V ±10%） ，這兩個小伏電壓范圍比較難調(diào)整，學(xué)生在實驗過程很容易就會出現(xiàn)電壓過大，燒壞芯片的事故。除此之外，學(xué)生還很有可能出現(xiàn)電路連接等錯誤，在實際操作中，這會很大程度地影響教學(xué)。所以，我們可以采用用Proteus軟件來仿真電路這一方案。

下面是基于ARM7的LCD顯示電路仿真，介紹電路的設(shè)計和使用Proteus 進行仿真與實現(xiàn)的過程。首先運用Keil編譯C語言，連接生成Hex文件，使用PROTEUS 7.8SP2仿真，選用ARM7 LPC2106 芯片和LM016L，將Hex文件導(dǎo)入，然后進行軟件仿真調(diào)試[4]。其電路原理圖如下圖所示：

圖3 系統(tǒng)電路圖

設(shè)計的最終效果是使得字符串從左往右逐個依次出現(xiàn)在屏幕上，同時逐漸右移，直至全部消失。然后再從右向左逐個依次出現(xiàn)，待移到最左端后消失。如此循環(huán)往復(fù)。其設(shè)計效果如以下圖所示：

圖4 ?設(shè)計效果顯示框圖

在這個實驗中，學(xué)生可以通過Proteus模擬ARM7芯片設(shè)計，將理論與實際相結(jié)合，應(yīng)用現(xiàn)有的仿真工具和嵌入式軟件開發(fā)平臺，合理規(guī)范地設(shè)計實現(xiàn)一個小型LCD顯示電路功能。同時，提供KeilC51 uVision2軟件的調(diào)試功能。

如果電路出現(xiàn)結(jié)果與實驗?zāi)康挠兴?，可以利用軟件調(diào)試系統(tǒng)全速、單步、設(shè)置斷點等，對各個變量、寄存器狀態(tài)進行實時觀察。只需利用仿真軟件在計算機平臺上進行各種仿真調(diào)試工作即可，能夠不動用電烙鐵試驗板就能知道結(jié)果的方法，大大提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，將解析法在近似處理中帶來的較大誤差有效的避免，還可以與實物試制和調(diào)試相互補充，通過理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)，大大提高教學(xué)效率，更好的達到教學(xué)目的，也能提高學(xué)生自主的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自己的探究研究問題能力，提高創(chuàng)新意識。

5 結(jié)語

采用Proteus仿真軟件作為嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，不僅幫助工科類學(xué)院學(xué)生更快地掌握業(yè)內(nèi)主流電子設(shè)計工具，綜合最新的電子設(shè)計技術(shù)，提升學(xué)生的實踐動手能力，還使得學(xué)生在校期間，比較靈活地將不同學(xué)科的電子設(shè)計知識融會貫通，為學(xué)生提供更多的實踐與應(yīng)用平臺，拉近了學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離。實踐證明，這種教學(xué)方法在教學(xué)效率、成本預(yù)算、后期維護方面優(yōu)勢明顯，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

[1]朱清慧，張風(fēng)蕊，等.Proteus教程-電子線路設(shè)計、制版與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]陳燕，李娜娜.Proteus和Keil在單片機教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2009（20）：194-195.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008年9月第2版.

[4]周潤景.PROTEUS在MCS-51&ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用百例[M].電子工業(yè)出版社，2006年10月第一版.

作者簡介：林偉（1967-），男，上海，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學(xué)科研工作。