基于Proteus的单片机虚拟仿真实验室的构建

叶果

摘 要：在分析了传统实验室的缺点后，阐述了为何需要构建虚拟仿真实验室，并提出了基于Proteus软件平台的单片机虚拟仿真实验室的框架和构建方案。通过单片机虚拟仿真实验系统，将理论与实际相结合，不仅可以提高教学质量和效率，也有利于培养学生的综合能力及促进学校教学的改革。

关键词：虚拟仿真  Proteus  单片机  仿真实验室

中图分类号：G482      文献标识码：A      文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0231-02

目前，我国大多数的工科高职院校都开展有单片机原理及应用、微机接口技术等实践性较强的专业必修课，此类课程的教学内容包括理论教学和实践教学两大环节。但是，由于此类课程的实验内容对实验仪器设备和实验场地的需求量比较大，因而导致在实践教学环节中面临诸多困难。

虚拟仿真技术是以网络技术、计算机技术和专业知识为依托，以多媒体技术为手段，用一个虚拟的仿真系统来模仿真实系统的技术。它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识等多学科融合的结晶。在实践教学环节引入虚拟仿真技术，具有以下两点优势：（1）采用虚拟仿真技术，不仅可以减少设备购置费，还可以节约实验用地，降低了实验室建设的硬件成本，有利于缓解实验室建设经费紧张的压力;（2）仿真实验的引入突破了实验时间和空间的限制，有利于实验教学的开展和实验设备的利用，进而有利于推进实验教学的改革。

1 基于Proteus的单片机虚拟仿真实验室

1.1 虚拟仿真实验室概念

所谓虚拟仿真实验室就是利用虚拟仿真技术，在计算机网络平台上，利用相关仿真软件学习电子电路、电路分析、单片机应用系统、ARM应用系统等实践课程，并可以开展电子系统设计、仿真、调试等相关实验的实验室。一个计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套电子仿真软件，再加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬、虚实结合，即为虚拟仿真实验室的本质。

单片机虚拟仿真实验室采用Proteus仿真软件和相应的硬件平台构成一个从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主要用于电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）等课程的实验、设计和开发等[4]相关工作。

1.2 Protcues软件平台

Proteus是英国Lab Center Electronics公司出版的一款功能强大的EDA工具软件。该软件提供智能原理图设计系统、PCB设计系统功能以及模拟电路和数字电路与MCU器件混合仿真系统等功能。其不仅可以开展传统的模拟电子线路实验、数字电路实验的仿真工作，而且还可以仿真单片机与嵌入式系统等实验。其适应性强，支持面广，不仅可以仿真传统的51系列、AVR、PIC等常用MCU，而且还提供了大量的电子元件库，可以实现常用设备和元器件的硬件仿真。在编译方面，Proteus还支持keil和MPLAB等多种编译器。

1.3 单片机虚拟仿真实验室系统架构

图1给出了基于Proteus的单片机虚拟仿真实验室的系统架构。该系统以建立在计算机网络平台上Proteus软件平台为基础，构建了整个单片机实验系统的综合实训和创新设计平台。该虚拟仿真实验系统可以完成原理图设计、PCB布线以及单片机编程和系统仿真调试等一系列工作，实现了从概念到产品的整个设计流程，便于学生掌握电子系统或产品的这个开发流程。

2 虚拟仿真实验室的实验方法

传统的单片机实验中，硬件部分大多采用市场上完善的实验电路板或实验箱，学生在实验过程中一般不存在硬件部分的设计。因而，传统的单片机实验基本上是验证性实验，其实验流程可以归纳为“根据原理图连线→下载代码并调试→运行并检验实验结果是否达到预期”等3大步骤。此类验证性实验缺乏创新性，不利于培养学生的实践能力和创新意识。基于Proteus的单片机虛拟仿真实验室则可以进行硬件电路和软件系统的设计和开发，所有软硬件系统的设计、调试和验证都可以在仿真平台上进行，同时对软硬件系统的设计修改十分简单便捷，节约开发时间的同时降低了开发成本。于此同时，还可以利用传统的实验设备对仿真实验的效果进行验证，基于Proteus的单片机仿真实验系统其实验流程见图2所示。

3 虚拟仿真实验室的教学效果

3.1 节约成本，缓解了实验室的硬件条件限制

随着高校的扩招，学生人数增加与实验室条件不足的矛盾日益突出，尤其是工科专业的实验课程多数具有实验仪器成本高、实验环境要求严格等特点。

3.2 实现课程教学模式的改革

引入Proteus虚拟仿真实验系统后，有利于理论与实践的联系，便于学生对理论知识的理解和掌握，同时也改变了传统的课程教学模式。

3.3 增强学生的实践创新能力

学生利用虚拟仿真实验教学资源参与教师的教学和科研项目，并以课程设计、毕业设计等方式完成课题中的部分任务。通过这些课题的训练，增强了学生的实践能力和创新能力，收到了良好的实践教学效果。

4 结语

构建基于Proteus的单片机虚拟仿真实验室系统，不仅可以缓解实验室建设的资金压力、节约建设成本，更可以帮助学生更好的掌握理论教学知识，加深对概念、原理的理解。学生通过该系统进行基础性实验、综合性实验、创新性实验，加强学生的综合能力的培养和创新能力的培养。此外，引入Protcus虚拟仿真实验，有利于促成课程和教学改革，更有利于具备工程实践能力的应用性人才的培养。

参考文献

[1] 刘萌，郑煊.基于Proteus的单片机虚拟实验室的构建[J].山东教育学院学报，2009，6（4）：12-15.

[2] 潘辉.Proteus虚拟实验环境在单片机教学中的应用[J].计算机教育，2010，20（10）：143-146.

[3] 徐小栋，胡春，董守昆.利用Proteus软件构建单片机虚拟仿真实验室[J].计算机与数字工程，2012，40（1）：154-157.