殷金曙, 杜世民, 楊相生

(寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 浙江 寧波 315212)

通信作者:杜世民(1976—),男,浙江東陽,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)自動(dòng)化和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).

基于Proteus VSM的數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

殷金曙, 杜世民, 楊相生

(寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 浙江 寧波 315212)

運(yùn)用Proteus VSM技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)將所有實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和相關(guān)文檔整合在一起,學(xué)生可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制登錄該平臺(tái)完成選定的實(shí)驗(yàn)任務(wù),提高了實(shí)驗(yàn)的開放性和靈活性。平臺(tái)支持學(xué)生自制常用芯片的實(shí)物封裝圖,用于進(jìn)行連接圖的仿真,增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)器件的認(rèn)識(shí)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該平臺(tái)對(duì)提高數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣起到了很好的促進(jìn)作用。

數(shù)字電路； 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； Proteus VSM

“數(shù)字電路”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解和掌握數(shù)字電路的理論知識(shí)與實(shí)踐技能有至關(guān)重要的作用[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,虛擬仿真在電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來越多[2-4]。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)沒有實(shí)物實(shí)驗(yàn)的一些條件限制,在實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和深度上可以大大擴(kuò)展,并且可以避開實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的問題,使學(xué)生將主要精力集中在電路設(shè)計(jì)上,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)技能[2,5]。因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已成為一種有效的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)尚存在一些不足:

(1) 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面沿襲傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證單元電路的邏輯功能及其簡(jiǎn)單應(yīng)用的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主,綜合性實(shí)驗(yàn)較少[6-7]；

(2) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大多是對(duì)原理圖的仿真,缺乏對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的仿真,實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感不強(qiáng)[8-9]；

(3) 未能將各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及相關(guān)文檔進(jìn)行有機(jī)整合,不方便學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)。

為此,筆者采用Proteus VSM和VC編程技術(shù),構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)將多個(gè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)整合在一起,學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,提高了實(shí)驗(yàn)的開放性和靈活性。該平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原理圖的仿真,還能通過構(gòu)建芯片的實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)的仿真,從而增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的真實(shí)感。此外,對(duì)已有器件庫中缺少或者不支持的芯片,學(xué)生還可以自己進(jìn)行芯片電路設(shè)計(jì)仿真,從而突破了現(xiàn)有器件庫的限制。

1 Proteus VSM介紹

Proteus VSM軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的一款EDA軟件,是目前最好的電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)之一[10-11]。Proteus提供了較為完善的電子器件庫,可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路、單片機(jī)及外圍元器件進(jìn)行仿真,同時(shí)提供了一套功能強(qiáng)大的元器件制作方案和簡(jiǎn)便易用的印刷電路板設(shè)計(jì)工具,是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。Proteus創(chuàng)建模型的方法分以下4類。

(1) SPICE Models。基于器件SPICE參數(shù)構(gòu)建的模型,器件生產(chǎn)方一般會(huì)提供SPICE文件,也可以利用相關(guān)工具軟件來創(chuàng)建器件內(nèi)部電路的SPICE文檔,主要用于模擬器件的建模。

(2) Schematic Models。原理模型是以原理圖的方式搭建器件模型,可以與實(shí)際器件內(nèi)部電路不同,但它的外特性和待建模型對(duì)象完全相同,而且操作簡(jiǎn)單、繪制方便、效率高。

(3) Active models。通過庫中圖形符號(hào)(Symbols)和自建圖形符號(hào),組建動(dòng)態(tài)的仿真模型。在Proteus VSM中,圖形符號(hào)是構(gòu)成器件的基本單位,例如引腳、器件本體圖形等,一個(gè)器件就是圖形符號(hào)(Symbols)和模型的結(jié)合體。

(4) VSM Models。使用VSM SDK在VC++環(huán)境中創(chuàng)建DLL文件。它是通過相關(guān)接口和Proteus VSM的仿真核心PROSPICE和ISIS交換相關(guān)仿真數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)鏈接庫,因此具有強(qiáng)大的人機(jī)交換功能,包括圖形、動(dòng)畫等。但該建模方法對(duì)操作人員要求較高,需要掌握DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)編程。本文中主要采用這一技術(shù)來構(gòu)建數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 基于VSM的數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

在實(shí)際的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生利用數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)箱的74系列等芯片,可以完成若干個(gè)基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)；而利用Proteus VSM構(gòu)建虛擬的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可以完成所有實(shí)物實(shí)驗(yàn)的仿真。

數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)有10個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和6個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)包括:

(1) D/A、A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)；

(2) 555定時(shí)器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(3) 移位寄存器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(4) 計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(5) 觸發(fā)器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(6) 加法器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(7) 譯碼器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(8) 數(shù)據(jù)選擇器及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(9) 用SSI實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)；

(10) OC門與三態(tài)門的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

綜合性實(shí)驗(yàn)包括:

(1) 數(shù)字電子鐘實(shí)驗(yàn)

(2) 交通燈控制器實(shí)驗(yàn)；

(3) 4人搶答器實(shí)驗(yàn)；

(4) 自動(dòng)售飲料機(jī)實(shí)驗(yàn)；

(5) 出租車計(jì)價(jià)器實(shí)驗(yàn)；

(6) PWM信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目緊扣課程教學(xué)內(nèi)容[12],其目的在于幫助學(xué)生掌握常用數(shù)字邏輯電路的功能、特點(diǎn)及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。綜合性實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的綜合電路設(shè)計(jì)能力[1-2]。與現(xiàn)有的實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比,該平臺(tái)在綜合性實(shí)驗(yàn)方面有了較大的擴(kuò)展。

為便于系統(tǒng)管理,采用VC編程技術(shù)開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)輔助軟件,將所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合在一起,形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。學(xué)生通過學(xué)號(hào)和姓名登錄系統(tǒng),進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表主界面(見圖1)。點(diǎn)擊所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開Proteus ISIS編輯器調(diào)用相對(duì)應(yīng)的編輯文檔。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行仿真運(yùn)行、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為便于學(xué)生實(shí)驗(yàn),將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求、內(nèi)容及步驟等相關(guān)文檔整合在一起,通過點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)文檔按鈕可以查詢實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)信息。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng),可以完成特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果,對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加充實(shí)。

例如原加法器實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為:

(1) 測(cè)試74LS08、74LS32、74LS86的邏輯功能；

(2) 用74LS32及74LS86構(gòu)成一位半加器；

(3) 用LS08、74LS32、74LS86構(gòu)成一位全加器；

(4) 用74283設(shè)計(jì)8421碼到余3碼的轉(zhuǎn)換電路。

修改后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為:

(1) 設(shè)計(jì)并制作全加器芯片74LS183；

(2) 繪制74LS183時(shí)序仿真圖；

(3) 用74LS183芯片組成串行4位全加器；

(4) 用74LS283構(gòu)成一位8421碼加法電路。

3 平臺(tái)所需元器件的制作

能便捷地制作元器件是Proteus的一大特色。Proteus自帶的器件庫已經(jīng)提供了大多數(shù)TTL74系列和CMOS4000系列的數(shù)字芯片,但其中部分芯片由于沒有提供仿真模型,因此并不能用于仿真。為便于進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn),可以采用VSM建模技術(shù),對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)中所需的部分芯片進(jìn)行重新設(shè)計(jì),并制作相應(yīng)的電氣符號(hào)和實(shí)物封裝圖,供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)用。

對(duì)于一些不太復(fù)雜的74183、74153等74系列芯片,要求學(xué)生根據(jù)芯片的邏輯功能自己動(dòng)手設(shè)計(jì),并利用自制的元器件來完成實(shí)驗(yàn)。

例如，要制作一位全加器電路74183,首先要在ISIS窗口繪出該器件的電路原理圖(見圖2,電路內(nèi)部全部由與非門構(gòu)成,也可用其他門電路來設(shè)計(jì)),并將其保存為模型設(shè)計(jì)文件(例如MY74183.MDF)。

圖2 1位全加器原理圖(MY74183.MDF)

然后,繪制元器件的電氣外形,定義I/O引腳屬性,使其和MY74183.MDF輸入輸出信號(hào)名稱相對(duì)應(yīng)。繪制器件外形一般有2種方式:電氣符號(hào)和實(shí)物封裝圖(見圖3),可分別用于電路原理圖和實(shí)物器件的仿真。

圖3 74LS183的邏輯符號(hào)和實(shí)物封裝圖

最后,利用Proteus的Make Device命令,定義元器件PCB封裝的相關(guān)參數(shù)。

在系統(tǒng)平臺(tái)中,除了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的部分元器件外,還開發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)常用的輸入輸出儀器設(shè)備,例如電平撥盤開關(guān)、電平指示器、方波發(fā)生器等,供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中使用。利用Proteus VSM制作的可調(diào)方波發(fā)生器可以產(chǎn)生0～100 kHz的任意方波信號(hào)，其前面板如圖4所示。

圖4 自制的方波發(fā)生器前面板

4 實(shí)物連接圖仿真

原有的基于Proteus或Mutisim等電路仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn),大多用于電路原理圖的仿真實(shí)現(xiàn)。它們通過調(diào)用Proteus自帶的若干元器件來完成特定功能電路原理圖的設(shè)計(jì)。例如,要用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)同步五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器,可以采用3個(gè)JK觸發(fā)器和若干與非門來實(shí)現(xiàn),如圖5所示。然后,對(duì)所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真,以驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。

圖5 五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的電路原理圖

這種電路原理圖的仿真十分有助于學(xué)生加深對(duì)觸發(fā)器、門電路等基本數(shù)字電路邏輯功能的理解,但學(xué)生并不一定能很好地掌握實(shí)際JK觸發(fā)器芯片的邏輯功能和使用方法。為增加學(xué)生對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)和器件的感性認(rèn)識(shí),在數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中引入了電路實(shí)物連接圖的仿真。學(xué)生可以采用第3節(jié)方法制作出實(shí)驗(yàn)所需的芯片實(shí)物封裝圖,然后調(diào)用芯片的實(shí)物封裝繪制出實(shí)物連接圖進(jìn)行仿真,如圖6所示。由于所制作的芯片實(shí)物封裝圖與實(shí)際器件的引腳名稱和排列順序完全一致,輸入輸出設(shè)備和實(shí)物實(shí)驗(yàn)也基本相同,因此，這種實(shí)物圖的仿真不僅可以增加為學(xué)生對(duì)實(shí)際器件的感性認(rèn)識(shí),同時(shí)也可以作為學(xué)生進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)的參考。

圖6 五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的實(shí)物連接圖及仿真

5 結(jié)語

利用Proteus VSM和VC編程技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將數(shù)字電路的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)文檔集成在一起。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可以同時(shí)進(jìn)行原理圖和實(shí)物連接圖的仿真,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。學(xué)生還可以采用自己制作的元器件來設(shè)計(jì)電路,提高了電路設(shè)計(jì)的靈活性。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該平臺(tái)有助于學(xué)生提高數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐動(dòng)手能力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和主觀能動(dòng)性,并為進(jìn)行實(shí)物器件的實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Simulation experimental platform for digital circuit based on Proteus VSM

Yin Jinshu, Du Shimin, Yang Xiangsheng

(College of Science and Technology, Ningbo University, Ningbo 315212, China)

A simulation experimental platform for the digital circuit is built by using Proteus VSM technology. This platform integrates all the experimental tasks and the related documents together, and students can log on the platform at any time and place to complete the corresponding experimental tasks, which improves the openness and flexibility of the experiment. The platform supports the students’ self-made physical package diagrams of commonly-used chips which are applied to the simulation of connecting diagrams, in order to enhance the students’ understanding of experimental apparatuses. The actual operation results show that the platform has played a positive role in improving the effect of the experimental teaching of the digital circuit and stimulating students’ learning interest.

digital circuit; simulation experimental platform; Proteus VSM

TN911.6

: A

: 1002-4956(2017)09-0116-04

2017-03-03

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15F030008)；浙江省高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(YB201616)；寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院十三五課程建設(shè)項(xiàng)目(20160627)

殷金曙(1969—),男,浙江寧波,本科,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

E-mail:dushimin@nbu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.029