Proteus在嵌入式系统实践教学的应用

高克芳

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002)

嵌入式系统是一门综合性很高的课程，它涉及微机原理、接口技术等多学科的知识。同时嵌入式系统是一门实践性很强的课程，只有通过大量的实验才能真正理解和掌握嵌入式系统开发的方法［1］。为了使得学生的应用能力符合社会对嵌入式人才的需求，我们必须设计多层次的实践环节，提供大量的实践机会，培养学生主动的、创造性的工程实践能力，提高学生的实践水平。然而，现在嵌入式系统实验课时较少，无法满足对学生实践能力的培养。同时，实验学时及实验室开放的时间相对固定，因此对学生进行自主实践能力培养受到时间和空间的限制，无法获得足够的训练。Protues是英国Labcenter Electronic公司开发的完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台，它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB设计构成。Protues能进行SCH和PCB电路的设计，同时提供虚拟示波器、逻辑分析仪、数字信号图形发生器、电压表等虚拟仪器仪表。同时Proteus VSM的最大特色就是嵌入式系统(硬、软件)及其外围电路进行协同、动态、交互式的仿真，并提供了仿真中进行源码调试的三种方式［2］。因此，在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus软件可以建立完整的嵌入式学习设计开发环境，凭借Protues软件的这些功能，可以将嵌入式系统的实践课从课内扩展到课外。下面就如何用Protues软件解决在较少的实践课时里尽可能的培养学生主动和创新能力进行了讨论。

1 实践教学存在的问题

嵌入式实践教学是嵌入式系统教学的核心，培养学生主动和创新能力、培养嵌入式系统开发能力是嵌入式系统教学的目的。为了完成嵌入式系统教学的培养目标，我们必须通过多个实践项目来培养学生嵌入式项目的开发能力。然而传统的实验教学仅仅是理论教学的一个辅助手段，实验教学的学时一般都较少。由于实验学时较少，而且主要使用传统的实验箱来完成实践教学，受到实验时间和实验条件的限制，一般只能完成验证性实验，只能加深和巩固课堂上的理论知识。同时，受到实验条件的限制，学生只能在课堂上进行实践训练，因此无法完成嵌入式系统的教学目的(培养学生项目开发能力)。基于Proteus的嵌入式系统的开发不受时间和实验条件的限制，因此，借助工具Proteus增强嵌入式系统实践课程的教学是可行的。为了实现对学生嵌入式系统项目开发能力的培养，我们将嵌入式系统实践课程分为四个部分，验证性实验→综合、设计性实验→课程设计→毕业设计。

2 验证性实验教学的改革

验证性实验仅仅是理论教学的一个辅助手段，是对课堂教学理论知识的加深和巩固。同时，由于嵌入式系统涉及多学科的理论知识，这些理论知识的教学是枯燥、复杂的。为了使嵌入式系统课堂教学生动化、形象化，更利于学生的快速吸收。我们借助开发工具Proteus将中断控制、UART驱动、脉冲宽度调制PWM、AD驱动等验证性实验引入嵌入式系统课堂教学。例如，在课堂教授PWM基本原理与如何实现脉冲宽度调制编程时，将验证性实验PWM引入课堂教学，首先编写相应的代码［3］:

然后利用Proteus软件集成的高级原理布图、PCB设计以及自动布线等来设计一个简单的电路，可以通过按键调节PWM的占空比。同时同学们可以利用Proteus工具提供的虚拟示波器实时的观察脉冲宽度的变化。这种将验证性实验用现场实验教学的方式表达出来，让学生亲眼目睹整个实验流程与实验结果，更有利于学生对基本原理的掌握，激发学生对嵌入式学习的兴趣。

3 综合性实验的设计

由于在嵌入式系统的课堂教学中引入的验证性实验，验证性实验将不再占用嵌入式系统实验教学的学时。同时由于Proteus的强大功能能为学生提供独立设计的平台，突破实验室条件和开放时间对学生实验的限制，我们在结束相应的课堂教学后，可以将综合性、设计性实验(MP3播放器的设计，串口驱动程序设计，简易示波器设计等)的要求告诉学生，激发学生积极主动的学习兴趣，利用课后时间主动的学习。例如，在介绍完PWM的简单编程后，引入综合、创新性实验——步进电机控制器的设计。如何利用PWM控制步进电机，老师只提实验要求和实验目的，不讲具体的设计方法，学生根据老师提出的要求，自己设计不同的方案，借助Proteus软件强大的器件库和虚拟仪器库，利用课外时间自己选择合适的元器件搭建实验平台，完成硬件电路的设计，同时，利用课后时间根据课堂所学的编程知识完成软件设计。真正上实验课时，学生在老师的指导下完成实验的修改、调试、验证。在整个实验过程中都有学生主动参与的痕迹，改变了学生将实验课当差事来应付的局面。这样不仅充分利用课余时间加强了嵌入式系统的实践教学，同时还可以培养学生独立判断、分析和解决问题的能力，提高学生的实践能力和设计能力，拉近了学习与就业的距离［4］。

4 课程设计对实践教学的强化

在嵌入式的后续学习中，根据已经做过的验证性、综合性、设计性实验设计与生活息息相关的课程设计题目，例如数字存储示波器，具有友好人机界面的、播放与歌曲名称同步显示等功能更全的MP3播放器，具有触摸屏的电子点菜系统等。由于Proteus软件强大的器件库和虚拟仪器库，学生在完成项目的过程中，不存在元器件的损耗，同时，现在几乎每个学生都有计算机，学生做项目的时间也不再受实验室的限制。借助工具Proteus通过对这些项目的实现可以很好的培养学生项目实践的能力，实现嵌入式系统教学的最终目标。

5 结束语

在嵌入式系统实践教学过程中，利用Proteus的强大功能能很好的将理论与实践进行结合，更重要的是打破传统实验教学在时间和空间上对学生主动性项目开发能力培养的限制。实现了在有限的实践课时中对学生项目开发能力的培养，同时拉近了课堂知识与就业的距离。

［2］周灵彬，方曙光，卢家桥，等.基于Proteus的嵌入式应用系统仿真中的源码调试［J］.现代电子技术，2009，(22):13－15.

［3］周润景，袁伟亭.基于Proteus的ARM虚拟开发技术［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2007.

［4］陈炳杰，余里超.基于Proteus与Keil的虚拟实验室构建［J］.茂名学院学报，2009，19(3):65－68.