软硬件协同仿真在电工电子实习中的应用

张倩 陈新兵

摘要：介绍了一个基于proteus和arduino的软硬件协同仿真的电工电子实习教学项目。该项目可以帮助学生熟悉软硬件协同仿真的基本流程，同时也有助于实现实践课程的线上教学。

关键词：软硬件协同仿真;proteus;arduino

智能小车的开发，包括硬件设计与软件编程。通过电工电子实习中智能小车项目的学习，可以使学生掌握使用主流开发软件，熟悉软硬件协同仿真的基本流程，掌握智能设备的调试方法，形成软硬件一体化设计的系统观，从而提升创意转化为作品的工程能力。

一、实习目的

1、了解Proteus软件的基本功能;

2、掌握硬件电路的仿真设计;

3、熟悉Proteus虚拟仪器的使用;

4、完成Arduino编程与协同仿真;

5、了解智能设备的基本调试方法。

二、实习所用软硬件工具

1、Proteus是英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件，不仅具有其它EDA工具软件的仿 真功能，还能仿真各类控制核心及其外围器件，是理想的软硬件协同开发平台，广泛应用于工程实践与课外创新。

2、Arduino是最简单好用的的开源单片机平台，强大的资源库，可以快速实现创意。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。Arduino Nano是基于ATmega328芯片的迷你Arduino开发板。

三、智能车主板控制原理

实习车转向控制采用两轮差速方式，左转时左侧电机停转，右侧电机前进，

右转时情况则相反，电子控制系统如上图。整个系统由光敏传感器、微控制器、电机执行器三个环节构成，本次实习先仿真外围电路，再熟悉控制核心编程，最后完成协同仿真。

四、实习步骤

1、外围电路仿真

小车行于跑道，靠传感器Vi检测路面信息，控制器U1进行数据处理与分类决策，LED指示工作状态。遇到白色时，传感器Vi输出低电平0，控制器U1A进行比较运算后，输出信号0，开启三极管Q1，电机得电转动;遇黑线时，传感器Vi输出高电平1，U1A进行比较运算后，输出信号1，关断三极管Q1，导致电机断电停转。

电路中，以脉冲源模拟红外传感器输出信号变化;以PNP代替实际的8550三极管，控制电机的通电断电。采用比较器U1A作为控制器，通过电位器RW1，调节比较器参考值。

2、Arduino Nano仿真

（1）在proteus中建立Arduino Nano仿真工程

（2）arduino编程

首先，变量初始化，包含启停按键，左右传感器，左右电机驱动以及传感线阵，跑车状态;然后硬件初始化，包括按键-传感输入，LED输出，电机驱动输出和电机驱动输出初态;最后是主程序，按键按下时，切换启停标志，当GoState为High时，进入跑车状态。循迹控制算法，采用有限状态机框架，用Switch语句实现，以传感器狀态做为触发条件。

3、软硬件协同仿真

将之前画好的左路外围电路，复制进Nano仿真工程，脉冲源输入换成SPDT开关，并将传感信号接至arduino输入接口、驱动信号接至arduino输出接口;然后复制上述电路，作为右路仿真电路，并将传感信号接至arduino相应的接口。如下图所示。

五、实习效果

基于proteus和arduino的软硬件协同仿真教学项目可以解决课程的线上实践教学的难题。另外在缺少硬件实验平台的条件下，也有助于初学者提高基于Arduino的智能设备相关技术的学习效果。

作者简介：张倩（1984.2—），女，汉族，山西省临汾市人，南京农业大学硕士，广州大学实验中心，实验师。研究方向：实验室管理与实验教学。

课题信息：2021年度校级教育教学改革类项目，智慧型实践课程的探索研究