PROTEUS實驗室建設方案

PROTEUS實驗室建設方案實驗室建設理由及意義1.1PROTEUS簡介:Proteus是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供SchematicDrawing、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器1.2虛擬實驗室：虛擬實驗室是利用計算機仿真技術，在計算機上學習模擬電路、數(shù)字電路、單片機應用系統(tǒng)等課程，并進行電路設計、仿真、調試等通常在實驗室完成的實驗。一臺計算機、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，即為虛擬實驗室的本質。PROTEUS實驗室：采用PROTEUS仿真軟件和相應的教學支持包構成的從虛擬到實際，從軟件到硬件，從概念到產(chǎn)品的主要用于電路、單片機或嵌入式系統(tǒng)課程的實驗實訓實驗室。PROTEUS實驗室建設的必要性：單片機教學包括理論與實踐教學，而實踐實訓教學所占比例較多，硬件投入大。在實踐實訓的中，需要大量的實驗儀器和設備。而一般的學?；騻€人沒有較多的經(jīng)費，因此，單片機的課堂教學及實驗中存在諸多問題如：單片機課堂教學以往多以理論教學為主，實驗教學也多是進行驗證實驗。但單片機是一門實踐性很強的課程。教學中需要很多硬件設備，如電腦、仿真機、實驗電路、編程器等。一般理論課堂難以輔助硬件進行教學，即便演示，效果也不好，一般單片機實驗箱也只是起驗證實驗的作用。學生實驗時也存在著不少問題，單片機實驗室由于存在著場地和時間等問題，學生除了上課外，平時難得有機會實踐。個人配備單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)，因成本較高，很多學生無法承受。同時一般單片機實驗箱由于是成品，學生很難參與到其中的細節(jié)設計中去，學生動手能力很難得到訓練與提高。實驗設備不足，落后，單片機實驗室建立成本高，一般學校很少有學生人手一套實驗開發(fā)系統(tǒng)進行單片機實驗及開發(fā)。就算有，由于技術的不斷更新，設備的不斷老化。實驗儀器也會很快落后。要解決此問題需要不斷的重建單片機實驗室。務必帶來資金耗費嚴重等問題。PROTEUS實驗室建設的意義：PROTEUS軟件具有以下優(yōu)點：Proteus軟件提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響。Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。鑒于PROTEUS軟件的優(yōu)點，則以PROTEUS軟件為核心構建的虛擬實驗室具有以下意義：構建實驗室的硬件投入少，只需提供計算機即可。儀器儀表的數(shù)量、類型和質量，是衡量仿真軟件實驗室是否合格的一個關鍵因素。PROTEUS實驗室無需提供實驗用儀器儀表，Proteus軟件中提供了多種虛擬儀器儀表，且同一種儀器儀表可以在一個電路中隨意的調用。實驗室運行成本降低，因為實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題。實驗室更新速度提高，而更新成本降低。實驗室更新時，只需更新仿真軟件即可。支持學生自行實驗。PROTEUS軟件支持單片機及其外圍設備仿真，克服了傳統(tǒng)實驗教學時，學生自行實驗時需購置較多外設備的缺點。同時采用仿真軟件后，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進行硬件的投入，這樣處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。支持學生的創(chuàng)新性培養(yǎng)。PROTEUS實驗室可充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新性，克服了單片機實驗箱由于是成品，學生很難參與到其中的細節(jié)設計中去的缺點，提供了訓練與提高學生動手能力的平臺。實驗室建設的主要目標2.1實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革的目標、措施（新實驗教學大綱的制定、實驗教材及實驗指導書的編寫、實驗實驗室的更新、新開出綜合性、設計性實驗的名稱、學生能力培養(yǎng)等）及效益分析2.1.1實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革的目標：通過PROTEUS實驗室的構建，使得實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革達到以下目標：使實驗內(nèi)容更加全面。實驗的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C51等語言的調試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型，對同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來搭建完成，從而克服傳統(tǒng)實驗硬件電路固定、學生不能更改、實驗內(nèi)容固定等方面的局限性，擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。降低實驗室構建、運行和更新成本。進一步提高學生的設計能力及創(chuàng)新能力。實驗能力和實驗設計能力的培養(yǎng)，是工科學生解決實際工程問題能力中較為重要的方面，因此，提供學生自行設計和創(chuàng)新性設計平臺尤為重要。培養(yǎng)學生的協(xié)作能力。一個比較大的工程設計實驗室，是由一個開發(fā)小組協(xié)作完成的。了解和把握別人的設計意圖和思維模式，是團結協(xié)作的基礎。在Proteus中進行仿真實驗時，所涉及到的內(nèi)容并不全是學生獨立設計完成的，因此對于鍛煉學生的團結協(xié)作意識，是有好處的。2.1.2實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革的措施:為配合實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革，配套以下措施:制定新的實驗教學大綱；編寫新的實驗教材和實驗指導書；更新實驗實驗室開設綜合性實驗交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設計：利用單片機的定時器定時，令十字路口的紅綠燈交替點亮和熄滅，并且用LED數(shù)碼管顯示時間。計時器系統(tǒng)設計：利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和計數(shù)，用LED數(shù)碼管顯示計時的時間；某鍵按下去計時，再按一下停止計時；另一鍵按下去時間清零。頻率計系統(tǒng)設計：利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和計數(shù)，計算出頻率，用LED數(shù)碼管顯示出來。模擬時鐘系統(tǒng)設計：從鍵盤上輸入時間初值用定時器產(chǎn)生0.1s定時中斷對時鐘計數(shù)器計數(shù)，并將數(shù)值定時送數(shù)顯管顯示。秒表系統(tǒng)設計：用AT89C51設計一個2位LED數(shù)碼顯示“秒表”，顯示時間為00—99秒，每秒自動加1，另設計一個“開始按鍵”和一個“復位”鍵。開設設計性實驗計算器的設計基于鉑電阻溫度傳感器的溫度測控系統(tǒng)設計基于一線數(shù)字溫度傳感器（DS18B21）的溫度測控系統(tǒng)設計直流電機控制伺服電機控制2.1.3實驗教學體系建設和實驗教學內(nèi)容改革的效益分析：建立的新的實驗教學體系，并進行相應的教學內(nèi)容改革，將對教學帶來以下效益：降低實驗室建設投入；降低實驗室運行投入；降低實驗室更新投入；降低實驗室設備維護投入；提高實驗質量，從而提高教學質量；可培養(yǎng)學生的實驗室設計能力，并降低學生科研投入；支持學生創(chuàng)新性設計；可培養(yǎng)學生的團隊合作能力。2.2本實驗室建成后的特色與定位、硬件水平與國內(nèi)高校同類實驗室的對比分析2.2.1本實驗室建成后具有以下特色：實驗內(nèi)容全面；硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯；學生可自行實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力；實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題；與工程實踐最為接近，可以了解實際問題的解決過程；大量的范例，可供學生參考處理；協(xié)作能力的培養(yǎng)和鍛煉；支持網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)實驗室的虛擬化和網(wǎng)絡化，大大提供實驗室的使用效率和范圍。2.2.2本實驗室建成后的定位：由于本系統(tǒng)采用虛擬軟件和實物驗證相結合的實驗室模式，實驗內(nèi)容更加靈活，可根據(jù)不同學校的具體培養(yǎng)目標合理設置實驗內(nèi)容。對于以培養(yǎng)學生操作能力的院校，實驗內(nèi)容的設置可側重于基礎性實驗；對于以培養(yǎng)學生綜合性能力的院校，實驗內(nèi)容的設置可側重于綜合性實驗；對于以培養(yǎng)學生創(chuàng)新性能力的院校，實驗內(nèi)容的設置則可側重于設計性實驗；綜上所述，PROTEUS實驗室可滿足各類大、中專院校不同的實驗要求。2.2.3本實驗室建成后的硬件水平本實驗室建成后，實驗室的硬件水平直接和軟件掛鉤，硬件隨著軟件的更新而更新。PROTEUS軟件的硬件滿足單片機軟件仿真系統(tǒng)的標準，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢；具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等；目前世界上多種主流單片機系列以及各種外圍芯片；支持大量的存儲器和外圍芯片?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大，硬件庫隨時與更新。因此，本實驗室建成后，虛擬實驗室的硬件水平可與當前硬件的發(fā)展同步。2.2.4本實驗室建成后與國內(nèi)高校同類實驗室比較具有以下優(yōu)勢：實驗內(nèi)容更加全面。實驗內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C51等語言的調試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型。對于傳統(tǒng)的采用單片機實驗教學板的教學實驗，由于硬件電路的固定，也就將單片機的CPU和具體的接口電路固定了下來。在單片機的實際教學中，如果要涉及到51系列，也要涉及到PIC16系列，那么為了教學必然要投入兩種單片機的實驗教學板；同時在教學過程中所涉及到的接口電路，也需要有較大的投入和儲備，以利于實驗的進行和在實驗過程中元件損毀后的更換。而使用PROTEUS實驗室，其支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC10/12系列、PIC16系列、PIC18系列、PIC24系列、HC11系列、ARM系列以及各種外圍芯片，大大提高了實驗室的綜合能力，這是采用傳統(tǒng)實驗室模式無法企及的。實驗室成本降低。學生設計能力得到充分體現(xiàn)；學生創(chuàng)新性得到進一步的支持；教學內(nèi)容可與實際要求更貼近；學生對教學內(nèi)容的理解可更透徹；Proteus具有網(wǎng)絡授權模式，可以實現(xiàn)實驗室的虛擬化和網(wǎng)絡化，開創(chuàng)實驗與教學的全新模式。本實驗室的配置方案和選項3.1ProteusDesignSuite的功能與特點3.1.1智能原理圖設計豐富的器件庫超過10000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結構使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。3.1.2完善的仿真功能ProSPICE混合仿真基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；超過8^0個仿真器件可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件；多樣的激勵源包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入；豐富的虛擬儀器13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器等；生動的仿真顯示用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動；高級圖形仿真功能基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析;獨特的單片機協(xié)同仿真功能支持主流的CPU類型，如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、HC11、BasicStamp等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加；支持通用外設模型，如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信；實時仿真支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試；3.1.3實用的PCB設計平臺16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層加上板沿，禁止布線層，抗蝕掩模和阻焊層任意角元件的布置和焊盤棧完全自動的連線（ratsnest）以及力向量生成理想的基于網(wǎng)表的手工布線系統(tǒng)無柵，多邊形電源板物理設計規(guī)則檢測保證設計的完整性超過1000種標準封裝的元件庫Windows裝置的任何輸出完整的CAMCAM輸出以及嵌板工具自動插入機器的拾取和布置文件自動設計：元件自動布置；基于多策略柵格的自動布線；SMT輸出的特殊例行程序；在多數(shù)板上實現(xiàn)100%撤消以及重試；減少過孔的數(shù)目和銅膜導線的長度。3.1.4Proteus網(wǎng)絡版ProteusDesignSuite有單機版和網(wǎng)絡版兩種選擇；如果采用網(wǎng)絡版配置，將只有一個USB加密狗安裝在服務器上，并鎖定相應的用戶數(shù)，在校園網(wǎng)范圍內(nèi)的PC機都可以得到授權并進行仿真和實驗，但同時在線的客戶端總數(shù)不能超過已購買的總授權用戶數(shù)；采用網(wǎng)絡版的Proteus,可真正實現(xiàn)實驗室的虛擬化、網(wǎng)絡化以及實驗室的開放。3.2 Proteus教學支持包ProteusDesignSuite是一個巨大的教學資源，可以用于：-模擬電路與數(shù)字電路的教學與實驗；-單片機與嵌入系統(tǒng)的教學與實驗；-微控制器系統(tǒng)的綜合實驗；-創(chuàng)新實驗與畢業(yè)設計。-項目設計與產(chǎn)品開發(fā)一個完整的軟件實驗平臺給電子學的教學與實驗帶來了創(chuàng)新的思路，學生們可以通過強大的EDA平臺，直觀、深入了解技術細節(jié)，做到理論與實際的結合，做到知其能還知其所以當然純粹的仿真軟件平臺對學生建立感性認識、動手能力，甚至對實際系統(tǒng)的認識與掌握還是不夠的，最終還必須結合真正的硬件系統(tǒng)，真正實踐從概念到完成的全過程，這樣才能真正培養(yǎng)出一個出色的社會需要的應用型人才。所以我們針對不同的實驗層次，與大學有豐富教學經(jīng)驗的一線教師合作，開發(fā)出了相應的基于Proteus的教學支持包，配備了相應的硬件板、實驗內(nèi)容、工程設計文件、實驗指導書和課件，真正解決Proteus在實驗室的具體實現(xiàn)和完善實驗的最后時間環(huán)節(jié)。為了幫助和促?Proteus在教學上的應用在Labcenter推出優(yōu)惠的大學計劃的同時，風標電子結合國內(nèi)的教學需要和roteus的獨特功能，和國內(nèi)相關專業(yè)的骨干教師合作，設計并提供一系列的教學支持包，包括數(shù)字電路實驗、模擬電路實驗、單片機實驗、ARM7嵌入式教學實驗。通過Proteus仿真設計軟件與支持包的結合，使抽象的電子專業(yè)教學形象化、具體化。既提高了學生的學習興趣也提高了課程實驗的效率，更加使學生理解和掌握了從概念到產(chǎn)品的完整過程，從而開辟了電子實驗課程的嶄新教學模式。支持包由實驗指導書、實驗板（套件X相應示例的設計文檔（源程序+Proteus設計文件）目前的教學支持包主要有：數(shù)電、模電教學支持包基于MCS51的Proteus教學支持包A包基于MCS51的Proteus教學支持B包基于LPC2000ARM的Proteus教學支持包3.2.1基于MCS51的Proteus教學支持包A包主要模塊與實驗：1、用Proteus實現(xiàn)的仿真基礎實驗：單管放大電路的分析晶體管負反饋放大電路的分析反向遲滯比較器電路的分析互補對稱功率放大器電路分析穩(wěn)壓電源電路555型集成定時器計數(shù)器電路譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器電路數(shù)字電子鐘電路2、用Proteus實現(xiàn)的單片機仿真實驗和實操實驗：實驗1：I/O口輸出實驗一LED跑馬燈實驗實驗2：I/O口輸入/輸出實驗-模擬開關燈實驗3：8255擴展開關量的輸入和輸出實驗實驗4：無譯碼的七段數(shù)碼管顯示實驗實驗5：BCD碼譯碼的多位數(shù)碼管掃描顯示實驗實驗6：獨立式鍵盤實驗實驗7：不同模式下的定時器0實驗實驗8：不同模式下的計數(shù)器0實驗實驗9：單一外部中斷實驗實驗10：多個中斷同時存在實驗（包括擴展定時器中斷實驗）實驗11：矩陣鍵盤掃描中斷實驗實驗12：串行端口輸出擴充實驗實驗13：串行端口輸入擴充實驗實驗14：8051與PC機之間串行通信實驗實驗15：兩8051單片機雙工收發(fā)數(shù)據(jù)實驗（包括中斷方式實驗）實驗16：I2C總線——AT24C02存儲器讀寫實驗實驗17：1線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實驗實驗18：實時時鐘DS1302實驗實驗19：A/D變換實驗實驗20：D/A變換實驗實驗21:字符型液晶顯示實驗實驗22：液晶顯示實驗點陣型2.2基于MCS51的Pro