基于Proteus构建硬件仿真虚拟实验室

摘 要：传统的硬件仿真实验室都是通过硬件仿真器配目标实验板的方式构建的，这种仿真属于验证性实验，不利于培养学生的综合能力和创新能力。本文构建了一套基于Proteus的计算机硬件虚拟仿真实验室平台，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：仿真实验室；Proteus；硬件实验

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 09-0000-02

1 引言

随着计算机技术的发展，仿真虚拟实验室的综合运用，社会对学生的综合素质要求也不断提高，学生需要很强的动手能力和实验能力[1]。使用Proteus软件构建硬件仿真虚拟实验室系统，不仅成本低，而且学生还可以按照自己的思路设计硬件系统，完成大多数实验，从而提高学生的积极性和动手能力[2-3]。利用Proteus构建硬件仿真虚拟实验室，不仅成本低，设备管理和维护简单，还可以培养学生的动手能力，提高学生的创造性和积极性。

2 虚拟仿真实验室结构

2.1 Proteus仿真实验室概念

所谓虚拟仿真实验室是指利用计算机仿真技术，在计算机上学习电路、微机原理、嵌入式系统等课程，并进行对应的实验（设计、仿真、调试、运行）。以虚拟设备代替实体设备、以软件代替硬件，就是虚拟仿真实验室的本质 [4]。

2.2 Proteus仿真实验室系统架构

图1 Proteus虚拟仿真系统架构

如图1所示基于Proteus的虚拟仿真实验室的系统架构，该Proteus是建立在计算机网络平台上的一个综合设计实验系统。本Proteus仿真虚拟系统是一个从概念到产品的完整系统，从图中可以看出，该仿真系统可以实现原理图设计、单片机编程、系统仿真、PCB设计。

2.3 计算机网络平台

由图1可以看出，本课题的虚拟仿真实验室的基础是计算机网络平台，通过该计算机网络平台，学校内师生可以在任何地点、任何时间对其进行访问和使用学习。因此，将Proteus仿真系统服务器存放在校内的网络中心，与学校各师生进行网络连接，可以保证本Proteus仿真系统的开放性，使得学校内更多的师生可以使用该平台，充分发挥其多学科实验覆盖的特性。该计算机网络平台的拓扑结构图如图2所示。

图2 计算机网络平台拓扑结构

2.4 Proteus软件平台

Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，使用Proteus软件，可以实现原理图设计、模拟电路设计、数字电路设计、MCU混合仿真和PCB系统设计，除此之外，Proteus还可以进行仿真嵌入式系统的实验，其最大的特点在于Proteus可以提供x86、单片机、ARM等系统的仿真实验。

2.5 Proteus试验系统

Proteus是该虚拟仿真实验室中最核心的一部分，为了增强学生的认知度以及提高学生的动手能力和教师的教学能力，在仿真试验中，应该首选利用Proteus绘制原理图、编译程序。而且在教学试验中，为了提高教学的说服力，教师可以将自己编译好的程序用编程器烧录至Rom中，然后对目标实验板进行运行并观察结果，这样可以给学生提供仿真和验证的机会，避免了理论脱离实际。

3 虚拟仿真实验室实验内容

通过对高校计算机硬件基础课程教学内容的研究与分析，充分发挥Proteus仿真实验室的优势，本课题对x86、单片机的教学内容进行拆分，把本仿真实验内容分为三类：基础性实验、综合性实验、创造性实验。

基础性实验包括MCU最小系统实验、汇编语言程序设计实验、中断实验、计数器实验等以验证性实验，该实验主要以提高学生对理论知识的吸纳和提高学生的动手能力为主，目的在于使得学生能够掌握书本的基础知识。

综合性实验包括模拟交通灯控制设计、电子万年历设计、波形发生器设计、直流电机控制设计等以培养学生综合能力的实验。该实验室基于基础性实验之上的实验，是在学生完成硬件课程的基础知识学习后开设的综合性实验，主要内容是教师给定一个课题，学生按照课题的要求，对系统进行分析、电路设计、软件设计、仿真调试、PCB设计与制作等。

创新性实验是建立在基础性实验和综合性实验之上的一种创新实验。学生在完成硬件课程学习的基础上，利用本创新性实验完成毕业设计等工作，学生可以根据自己的想法通过该系统完成设计与仿真，并对其进行研究。

4 虚拟仿真实验室实验方法

传统的硬件实验中，一般不存在硬件电路的设计，主要是因为传统x86、单片机的硬件部分大多数都是由电路板或者实验箱提供的，因此实验多为验证性实验，缺乏创新性实验，不利于培养学生的动手能力和创新能力。然而，基于Proteus的虚拟仿真实验中，所有的硬件和软件都可以由学生自主创新设计与实现，硬件的修改与软件修改一样简单，大大节省了实验的成本和时间。

5 虚拟仿真实验室教学目标

通过本课题的基于Proteus的硬件虚拟仿真实验室可以实现以下3个目标：

5.1 实验教学系统的重大改革。通过本系统可以进行基础性实验、综合性实验、创新性实验，使得硬件实验得到根本性的改变。在本系统中，电路设计、程序设计、仿真实验、PCB设计与制作集为一体，教师和学生不再受时间、地点、设备的限制，充分享受实验带来的知识和乐趣。

5.2 教师教学模式改革。教师在课堂上引入本仿真实验系统后，有利于教学课程的改革，将理论与实际联系在一起，使得学生在最大程度上接收与掌握理论知识。

5.3 有效培养学生的创新能力和综合能力。当前学生急需培养实验动手能力和创新能力，在传统的实验当中，忽视了学生的设计能力培养，基本没有设计到学生的创新能力培养。因此普遍存在着学生学习的理论知识不知道如何运用到实际生活中去。

6 结束语

构建基于Proteus的硬件虚拟仿真实验室系统，不仅可以减少学校的硬件投入，更可以帮助学生更好的掌握理论教学知识，加深对原理的理解。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。而且，本系统也有利于促进教学系统的改革。

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]田建伟，胡德安.一种单片机虚拟实验室的建立方法[J].现代电子技术，2009（14）：67-69.

[3]胡敬朋，王聪.基于Proteus的电子产品仿真设计[J].电气电子教学学报，2009，5（4）：121-123.

[4]陈龙，张亚君.Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2009（8）：87-89.

[作者简介]郭荣宁（1957-），男，山东德州人，工作单位：理工大学通信工程学院，高级工程师，学士学位，研究方向：计算机应用。