張紹榮

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院,廣西 桂林 541004)

單片機課程是電子類專業(yè)的必修課，在專業(yè)學(xué)習(xí)中起著非常重要的作用[1-2]。為了較好地彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法中的不足，很多老師把Proteus仿真軟件引入單片機教學(xué)當(dāng)中，取得了很好的效果[3-6]。然而，在使用這款軟件時，也存在一些問題和誤區(qū)。本文主要探討如何正確地把Proteus軟件應(yīng)用于單片機課程教學(xué)中，以便取得良好的教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 使用中存在的問題和誤區(qū)

Proteus仿真軟件是輔助教學(xué)的一款很好的EDA工具，但是使用不當(dāng)也可能適得其反，得不到很好的效果。以下指出了Proteus在教學(xué)過程使用中存在的一些問題和誤區(qū)。

1.1 使用方式不當(dāng)

一些老師比較推崇項目教學(xué)方法[7]，講授單片機課程時，一開始就使用Proteus繪制電路圖和仿真，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，根本沒有接受的基礎(chǔ)，如此并不能取得很好的效果。傳統(tǒng)的課程教授必不可少，Proteus仿真應(yīng)該在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對知識的一種直觀生動的呈現(xiàn)，幫助學(xué)生更好理解單片機工作原理和相應(yīng)的知識點。Proteus的實例演示會使得學(xué)生有感觀認(rèn)識，更容易理解和接受，但前提是學(xué)生知道講的知識點是什么，然后才能進一步明白為什么是這樣。

1.2 過多依賴

為節(jié)約硬件教學(xué)成本，在課內(nèi)實驗或者課程設(shè)計中全部使用Proteus軟件取代傳統(tǒng)的教學(xué)模式，過多地依賴軟件[8]。

要清楚的是，仿真的電路跟實際電路還是存在很大差距的。例如，Proteus在使用單片機進行仿真時，設(shè)計電路圖P0口不加上拉電阻也能正常工作(P0口是開漏輸出，實際電路必須加上拉電阻)，數(shù)碼管顯示也不考慮電流驅(qū)動的問題等等。但是這些在實際電路中往往是非常關(guān)鍵的，而且是必需的。如果一味地強調(diào)仿真，就會忽略一些實踐過程中要考慮的實際問題，把學(xué)生引入一種理所當(dāng)然的誤區(qū)。

在指導(dǎo)學(xué)生使用單片機進行課程設(shè)計時，發(fā)現(xiàn)一些學(xué)生做的數(shù)碼管顯示電路因為不做電流驅(qū)動電路導(dǎo)致數(shù)碼管亮度不夠，白天基本看不到顯示。學(xué)生覺得沒有錯，因為仿真是正確的；但他沒有考慮實際過程中數(shù)碼管電流驅(qū)動的問題。類似這類問題很多，因此我們要恰當(dāng)?shù)厥褂梅抡孳浖?，而不是過多地依賴，甚至顛倒主次，認(rèn)為Proteus仿真軟件能取代一切。

2 Proteus仿真軟件的正確使用

Proteus仿真軟件是項目教學(xué)或者實例教學(xué)的一種具體實現(xiàn)形式。應(yīng)該把它當(dāng)作課程教學(xué)的一種輔助工具[8-10]，提高課堂質(zhì)量和教學(xué)效率的一種方法和手段，同時也是課外學(xué)習(xí)的有效途徑。

2.1 理論教學(xué)

1)理論形象化。

單片機的課程教學(xué)如果只講述理論知識，特別是前面幾章內(nèi)部結(jié)構(gòu)、時鐘時序、指令和尋址，比較枯燥煩悶。學(xué)生沒有直觀和感性的認(rèn)識，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高。Proteus仿真軟件有豐富的色點、圖表以及相關(guān)的輔助儀器，可以指示系統(tǒng)的整個執(zhí)行過程，觀察單片機內(nèi)部寄存器、變量等的變化[11-12]。Proteus的演示教學(xué)，顯得直觀生動，學(xué)生易于接受，而不再是老師的填鴨式教學(xué)和學(xué)生的抗拒式接受，學(xué)生可以自己在課后對存在疑惑的知識點通過軟件進行仿真驗證。有效地改善了課堂教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2)知識實例化。

單片機課程其實是一門實用性和應(yīng)用性很強的課程，學(xué)生如果真正接受和進入之后會產(chǎn)生很大興趣，因為使用單片機可以做很多實用的設(shè)計，比如說電子琴、萬年歷、心形流水燈等，那些平時看起來高大上的電子產(chǎn)品，自己也可以制作和設(shè)計了，這是一件非常讓人激動的事情。學(xué)生最反感的是學(xué)而無用的東西，一味地理論教學(xué)會使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的動力和激情，Proteus從應(yīng)用的角度把課程知識點融入每一個項目實例中，使學(xué)生能及時感受到所學(xué)知識的應(yīng)用價值，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，端正學(xué)習(xí)的態(tài)度。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，引入Proteus仿真演示，針對每一個知識點，開發(fā)一個小實驗，讓學(xué)生明確地知道每個知識點的重要性，這樣才能引起學(xué)生的重視，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情。

2.2 課內(nèi)實驗

1)預(yù)習(xí)實驗。

傳統(tǒng)的實驗預(yù)習(xí)，學(xué)生只是看一下實驗指導(dǎo)書，因為缺少實物沒有真正動手去試驗驗證，對一些知識點和工作原理理解模糊，預(yù)習(xí)效果并不好。使用Proteus軟件可以先進行模擬驗證，建立感性認(rèn)識，了解實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。自己搭建電路圖，編寫程序，熟悉軟件編程開發(fā)過程。程序驗證無誤之后，在實驗室真正進行實驗時，主要考慮硬件問題，進一步理解硬件組成和工作原理。如此，實驗的時間充足，同時對實驗的理解會更加深刻全面。避免出現(xiàn)實驗時間不夠、復(fù)制拷貝實驗程序、只懂結(jié)果不知過程等現(xiàn)象。

2)擴展學(xué)習(xí)。

使用Proteus軟件可以克服現(xiàn)有實驗資源有限的困難，可以利用課外時間自主完成更多的實驗設(shè)計，實現(xiàn)自己的想法，做出新的設(shè)計，加深對單片機系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

首先，學(xué)校使用的單片機實驗箱或者開發(fā)學(xué)習(xí)板只能局限于實驗室用，而且課內(nèi)實驗安排的時間比較少；同時實驗室開放時間有限，學(xué)生課外如果想自主完成更多感興趣的實驗比較困難。其次，由于51單片機學(xué)習(xí)入門比較容易，所以高校單片機課程所使用的實驗箱很多都是基于51單片機，但是在公司企業(yè)中大多數(shù)使用功能更加強大的單片機，如AVR、PIC等，學(xué)生如果畢業(yè)只會51單片機系統(tǒng)的開發(fā)使用，并不能勝任工作的要求。使用Proteus軟件，以上問題都可以得到解決。Proteus提供了大量的仿真元件和設(shè)備，包括各種系列的單片機、常用邏輯電路和調(diào)試工具，用戶只需一臺電腦就可以完成課外的擴展學(xué)習(xí)。

2.3 課程設(shè)計

1)方案驗證。

在拿到課程設(shè)計題目時，通常要根據(jù)題目的任務(wù)要求選擇方案，并進行芯片選型。在方案設(shè)計時，需考慮方案的可行性，對一些不確定的電路或者程序需要驗證其正確性。沒有仿真就做實物電路，如果方案錯誤，就會浪費時間和硬件成本。使用Proteus軟件進行仿真驗證，可代替以上步驟，減少設(shè)計的周期和節(jié)約硬件成本。

2)程序驗證。

由于學(xué)生沒有工程設(shè)計經(jīng)驗，在設(shè)計電路和程序編程方面，出錯的情況在所難免。很多學(xué)生照著別人的方案和電路，參考別人的程序，把電路板做出來，程序下載進去，發(fā)現(xiàn)沒有結(jié)果或者結(jié)果不對，完全愣住了，在遇到問題后束手無措，不知道是硬件問題還是軟件問題，不懂進行軟硬件和系統(tǒng)的調(diào)試。這時，可以用Proteus進行仿真驗證，首先驗證是否是程序問題。因為在仿真軟件里面，只要連接正確，硬件一般沒問題；在實際設(shè)計和焊接電路中，要考慮電路是否有短路、斷路、虛焊、接觸不良等各種情況。使用Proteus軟件排除了硬件的問題，使得學(xué)生專注于程序的設(shè)計問題，程序驗證無誤后再去解決硬件問題。如此，可使問題得以解決。

3 Proteus軟件使用的局限性

通過以上論述，Proteus仿真軟件確實對教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)起到了很大的幫助。但是仿真軟件本身具有局限性，虛擬仿真實驗不可能代替實物實驗。因此，要正確使用仿真軟件，應(yīng)該明確其局限性。

3.1 環(huán)境理想化

虛擬仿真實驗學(xué)生可以任意的設(shè)計電路，即便電路中短路或者電源反接也沒問題，軟件運行時會報錯提醒。但是在實際環(huán)境中就不可能這樣了，學(xué)生在做電路設(shè)計、硬件調(diào)試、電路連接時都必須考慮一些實際的問題，比如上電前要檢查電路是否短路，電源是否連接正確等等。所以虛擬仿真只能是一種輔助教學(xué)，而不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)。

3.2 創(chuàng)新思想受限

Proteus仿真軟件只能局限于軟件已有的器件做設(shè)計，方案選擇分析受到限制。Proteus仿真軟件只集成了一些基本的器件，只能做一些簡單系統(tǒng)設(shè)計，對于復(fù)雜的系統(tǒng)就顯得無能為力。因此，Proteus只能幫助學(xué)生的單片機的入門學(xué)習(xí)，學(xué)生真正掌握之后，基本脫離了仿真軟件的使用，即使使用也是做一些簡單的模塊驗證，而不會依賴于Proteus進行方案的選擇和驗證。實際上，教師在科研項目中幾乎用不著Proteus軟件，實際解決的問題非常復(fù)雜，Proteus沒辦法做仿真設(shè)計。這時候，Proteus只能稱得上是局部的仿真驗證，而不可能是創(chuàng)新設(shè)計。

4 案例分析

通過一個設(shè)計項目闡述Proteus仿真軟件使用的局限性，同時明確Proteus仿真軟件在實驗設(shè)計過程中的恰當(dāng)使用。

設(shè)計任務(wù)：采集一個交流信號(正弦波、方波、三角波)的峰峰值，最高頻率為1 MHz，峰峰值為±10 V，精度達滿量程的5‰。

在方案設(shè)計中，先使用AD637把交流信號轉(zhuǎn)成直流電壓，再使用AD7321(Protues軟件集成有此AD芯片)采集直流電壓，經(jīng)過相應(yīng)計算可得到信號的峰峰值，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 信號采集系統(tǒng)框圖

由上所述，此系統(tǒng)不能使用Proteus仿真軟件自帶的元件全部完成。因此，在芯片選型和方案設(shè)計時不可過多地依賴于仿真軟件，而應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求和性能指標(biāo)選擇合適的方案和芯片。如果過多依賴仿真軟件，學(xué)生在方案設(shè)計中的創(chuàng)新思想將受到限制。這就是仿真軟件的局限性。

然而，Proteus仿真軟件在輔助系統(tǒng)實現(xiàn)時卻取到良好的效果。單片機對按鍵的檢測、液晶顯示、AD編程控制，都可以在虛擬仿真中完成，可驗證模塊程序的正確性，而不必考慮硬件電路的問題(比如實際電路的短路和斷路等)。

由此可得到一個明確的結(jié)論，Proteus仿真軟件是一種非常有效的課程教學(xué)和項目設(shè)計的輔助工具，以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)的實踐平臺；但是不可過多依賴，只可作為學(xué)習(xí)和設(shè)計驗證的輔助手段。

5 結(jié)束語

本文主要分析了Proteus仿真軟件在使用中存在的一些問題和誤區(qū)。針對單片機的三個教學(xué)環(huán)節(jié)，即理論教學(xué)、課內(nèi)實驗、課程設(shè)計，論述Proteus仿真軟件在各個教學(xué)環(huán)節(jié)的使用。同時指出應(yīng)正確使用Proteus軟件，了解其局限性；應(yīng)把它作為一種輔助的學(xué)習(xí)工具，而不能過多依賴或者用其取代傳統(tǒng)的教學(xué)模式。仿真并不能代表現(xiàn)實中的一切，否則，在實際單片機應(yīng)用開發(fā)中會遇到很多問題。