Proteus仿真在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件課程中的應(yīng)用

引言

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)工程是一門(mén)覆蓋范圍很廣的綜合性交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、通信工程、信息安全等諸多學(xué)科領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。它改變了人類(lèi)之前物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施截然分開(kāi)的傳統(tǒng)思維，將具有自我標(biāo)識(shí)、感知和智能的物理實(shí)體基于通信技術(shù)有效連接在一起，使得管理、生產(chǎn)制造、個(gè)人生活實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會(huì)各個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展，它已經(jīng)進(jìn)入到了各種應(yīng)用領(lǐng)域。因此物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)在高校的人才培養(yǎng)中日益提上了日程，隨著“十二五”規(guī)劃中將物聯(lián)網(wǎng)列為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)面臨著長(zhǎng)足發(fā)展的良好機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，它的建設(shè)一貫遵循理論與實(shí)踐相結(jié)合的方針，注重對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)和動(dòng)手能力的雙重培養(yǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)工程作為一門(mén)新的專業(yè)，關(guān)于它的課程體系、培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的研究得到了各個(gè)高校的普遍重視。本文基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)展的新需求，以硬件類(lèi)課程為依托,弓入Proteus虛擬仿真平臺(tái)，提出面向工程應(yīng)用的培養(yǎng)方案，形成了理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)仿真相結(jié)合，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，系列課程全程貫穿實(shí)際工程應(yīng)用的聯(lián)合教學(xué)模式。

1物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件系列課程的培養(yǎng)模式

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程整體上可分為硬件類(lèi)課程和軟件類(lèi)課程，其中硬件類(lèi)課程是基礎(chǔ)，軟件類(lèi)課程是靈魂。硬件類(lèi)課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)置中的重要的基礎(chǔ)部分，也是后續(xù)其他其它課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。目前在各高校和硬件類(lèi)相關(guān)課程主要有《電路》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》以及《嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與用》等課程。這些硬件類(lèi)課程具有抽象性高、理解難度大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的授課過(guò)程中教師多采用黑板板書(shū)同時(shí)多媒體課件輔助的形式，這種教學(xué)手段講授的內(nèi)容比較抽象，但是若在授課過(guò)程中將實(shí)驗(yàn)室器材搬到教室中又很不方便，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)效果不好。這種教學(xué)方式存在理論講授與實(shí)踐演示相脫節(jié)的弊端，難于通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作向?qū)W生展示理論知識(shí)的直觀應(yīng)用效果，因此往往造成知識(shí)講授枯燥無(wú)味、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、教學(xué)效果不佳等問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)教學(xué)的現(xiàn)代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類(lèi)課程的教學(xué)中，完全有條件把教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用計(jì)算機(jī)仿真軟件先進(jìn)行仿真、模擬調(diào)試后再用硬件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在課堂上將元器件的工作特性通過(guò)仿真軟件實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來(lái)。所以通過(guò)在教學(xué)中把EDA電路設(shè)計(jì)軟件引進(jìn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，教學(xué)過(guò)程中教師使用仿真軟件展示元器件的工作特性，課下學(xué)生再通過(guò)仿真軟件上完成電路的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)量直至印制電路板的自動(dòng)設(shè)計(jì)，這種方法集教學(xué)、學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新于一體，拓展了教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣，將會(huì)取得很好的效果。

2基于Proteus的虛擬仿真平臺(tái)

2.1平臺(tái)軟件Proteus介紹

ProteusISIS是英國(guó)LabcenterElectronics公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，可以仿真分析各種模擬器件和集成電路叫它的主要功能包括：

（1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真的結(jié)合。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路仿真,RS232接口的動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器仿真、SPI調(diào)試器仿真、鍵盤(pán)和LCD仿真等功能；有多種虛擬儀器可供仿真調(diào)試使用，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。

（2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類(lèi)型有8051系列,68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系歹叭ARM系列以及各種外圍芯片。

（3）提供軟件調(diào)試功能。在系統(tǒng)仿真時(shí)該軟件具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，可以觀察各個(gè)變量、寄存器、內(nèi)部RAM的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51軟件。

（4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。利用軟件提供的元器件庫(kù)可繪制模擬電路、數(shù)字電路、模擬與數(shù)字混合電路、單片機(jī)應(yīng)用電路。它涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室、接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的大部分功能。

使用Proteus軟件來(lái)構(gòu)建虛擬的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效解決教學(xué)中存在的理論講授與實(shí)踐演示相脫節(jié)的弊端。教師在課堂通過(guò)使用Proteus仿真課本上的理論內(nèi)容，以生動(dòng)形象的仿真效果形式來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在課下使用仿真軟件自我學(xué)習(xí)其他相關(guān)內(nèi)容，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，嘗試自我解決學(xué)習(xí)過(guò)程的各種疑難問(wèn)題，更加扎實(shí)地掌握硬件類(lèi)專業(yè)課內(nèi)容。

結(jié)合Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高效率和較好互動(dòng)性，本文分別以Proteus在數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理中的具體應(yīng)用為例，展示Proteus在這些硬件類(lèi)課程中的具體使用方法。

Proteus在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用

數(shù)字電子技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,其主要內(nèi)容是組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。在教學(xué)中，通過(guò)引入Proteus的虛擬系統(tǒng)仿真模型，可以集電路的設(shè)計(jì)與仿真于一體，讓學(xué)生直觀地看到電路的運(yùn)行效果,增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性和直觀性，加深對(duì)常用中規(guī)模集成電路的理解和掌握叫

例如，在學(xué)習(xí)譯碼器這部分內(nèi)容時(shí)候，通過(guò)使用Proteus仿真二進(jìn)制3-8譯碼器74LS138,能使學(xué)生更好地掌握其用法。

如圖1所示，當(dāng)選通段E1為高電平，另兩個(gè)選通段（E2和E3）為低電平時(shí)，可將地址端A2A1A0的二進(jìn)制編碼在Y0~Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。圖中當(dāng)A2A1A0=010時(shí),則Y2輸出端輸出低電平信號(hào)0。

圖174LS138芯片功能測(cè)試結(jié)果圖

Proteus在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用

三極管是電路電子學(xué)課程非常重要的內(nèi)容，只有掌握三極管的相關(guān)知識(shí)，才能為后續(xù)的放大電路的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)［6］。在以往的學(xué)習(xí)中，老師上課中只講理論，然后將輸出特性圖片展示在投影上，這樣效果不明顯，學(xué)生只能記憶結(jié)果。

采用Proteus仿真系統(tǒng)，根據(jù)三極管工作在放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)的特性，畫(huà)出三極管輸出特性電路圖，如圖2所示。仿真后在模擬圖表中繪出輸出特性曲線，通過(guò)輸出特性曲線,使學(xué)生能夠更好地理解三極管工作在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)的條件。采用這種方法能夠使學(xué)生在實(shí)際操作中掌握元器件的特性和原理，提高學(xué)習(xí)的興趣。

圖2三極管2N222的輸出特性曲線

Proteus在單片機(jī)原理中的應(yīng)用

相對(duì)于Multisim、EWB、Protel這些常見(jiàn)的EDA設(shè)計(jì)軟件,Proteus最大的優(yōu)勢(shì)就是能對(duì)MCU進(jìn)行仿真和測(cè)試［7］。在前期教學(xué)的理論講解后，同時(shí)在課堂上利用Proteus軟件進(jìn)行仿真效果演示，按照設(shè)計(jì)好的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，向?qū)W生演示單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、調(diào)試修改的全過(guò)程，從而使學(xué)生對(duì)單片機(jī)各個(gè)模塊的工作原理、設(shè)計(jì)方法有深刻的了解。例如在學(xué)習(xí)DA轉(zhuǎn)換器DAC0832時(shí)候，單純的理論學(xué)習(xí)DAC0832是非常枯燥無(wú)味的，通過(guò)在課堂上和實(shí)驗(yàn)中先使用Proteus仿真，在Keil軟件里面編寫(xiě)程序，然后將Proteus和Keil聯(lián)合調(diào)試，使學(xué)生能夠動(dòng)態(tài)掌握相關(guān)知識(shí)，這將極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

如圖3所示，通過(guò)連接引腳，使得圖中的DAC0832中的8位輸入寄存器處于受控制狀態(tài)，8位DAC寄存器處于直通

狀態(tài)，這樣DAC0832轉(zhuǎn)換器工作于單緩沖工作方式，仿真運(yùn)行后，通過(guò)虛擬示波器，觀察到到從DAC0832輸出端產(chǎn)生三角波信號(hào)。

圖3DAC0832輸出三角波波形圖

Proteus在其它課程中應(yīng)用

Proteus元件庫(kù)中所包含的各種類(lèi)型、品種豐富的物理元件、各種激勵(lì)源可達(dá)到對(duì)應(yīng)信號(hào)發(fā)生器的效果，強(qiáng)大精確的虛擬檢測(cè)儀器儀表可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何觀測(cè)點(diǎn)檢測(cè)，因此在電子測(cè)量技術(shù)這門(mén)課中引入Proteus，同樣能夠使學(xué)生從直觀效果到微觀分析全面掌握這門(mén)課。

Proteus的虛擬仿真系統(tǒng)除了支持8051系列MCU，還支持ARM7、PIC、MSP430等多種系列。因此，在微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等課程的教學(xué)中，Proteus同樣也能夠起到很好的教學(xué)效果。

3結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類(lèi)課程公式多、推導(dǎo)繁，概念抽象且不易理解與掌握。在教學(xué)中如何選取合適的講授方法很重要。本文在介紹Proteus虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例展示了Proteus仿真軟件在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)原理等硬件課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。將課本上的理論知識(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真“真實(shí)”地展現(xiàn)出來(lái)，將抽象的概念變?yōu)樾蜗?、生?dòng)、直觀的圖形和實(shí)例，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

相對(duì)比傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)室，Proteus具有投入低、教學(xué)效果好的優(yōu)點(diǎn)。以Proteusfor8051為例，基于Proteus軟件，可以構(gòu)建虛擬硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境，擴(kuò)展單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)的綜合設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的理論層次及技術(shù)含量。經(jīng)大一大二學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐證明采用這種方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力，提高了實(shí)踐教學(xué)效果，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗,具有很好的推廣價(jià)值。

隨著LabcenterElectronic公司對(duì)Proteus軟件的不斷升級(jí)，其VSM的品種也將越來(lái)越豐富，設(shè)計(jì)與仿真的功能也將越來(lái)越強(qiáng)。因此，在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類(lèi)課程的教學(xué)過(guò)程中，借助該軟件的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和應(yīng)用能力都將不同程度得到鞏固和提高。

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