Proteus仿真软件在嵌入式系统教学实验中的应用

摘要：针对嵌入式系统教学过程中存在诸如课程直观性不强，学生动手能力不足等问题，以及为了更好地提高学生的创新性。本文提出了利用proteus以及keil软件作为课程教学的辅助手段设计一系列案例使得嵌入式系统理论教学更加形象化，提高学生学习的积极性，且使得实验教学对于设备的要求有所降低，节约了实验教学成本。

关键词：proteus软件;嵌入式系统;仿真;辅助教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）43-0252-02

一、引言

嵌入式系统目前广泛应用于通信设备，信息家电，网络设备，工业控制，智能仪表，汽车电子，移动存储等领域中，有统计表明目前嵌入式微控制器占世界处理器市场的94%，而PC处理器只占6%。因此社会对于嵌入式系统相关技术人才的需求也在空前扩大。嵌入式系统这门课程也成为各个高校电子信息类专业的一门非常重要的专业课程。这门课程融电子电路，程序设计等课程于一体。是一门理论和实践相结合的课程。

本课程重点培养的是学生对于嵌入式系统理论的认识以及实现嵌入式系统外设的相关操作。由于涉及到嵌入式系统的相关操作，因此实验课程非常重要，但由于理论教学是课堂教学，无法直接的给学生演示电路连接，运行过程，导致课堂教学比较枯燥。而实验课教学又由于设备和实验时间的限制无法满足学生的学习需求。因此考虑将proteus软件引入嵌入式系统的教学过程中，使得所有实验可以仿真，且可以在教学课堂上演示。这样增加了理论课堂的趣味性。同时设计这样一个仿真平台又使得学生脱离了实验设备的限制，能够只要有一台电脑就可以进行理论或者实验课相关代码的编写调试工作。

二、proteus在教学中的应用

Proteus是由英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，是一款EDA工具软件。

该软件包括两个程序，ARES主要用于PCB自动布线或仿真，ISIS主要采用原理图的方法绘制电路并进行相应的仿真。由于我们采用的是虚拟仿真，所以选择的是ISIS[1]。在嵌入式系统教学中引入proteus仿真软件，可以使得教学过程更加直观、生动。

1.proteus在理论课教学的应用。嵌入式系统理论教学主要着重讲解了嵌入式系统各个外设以及如何通过CPU芯片控制外设。使用的开发板是cortex-m3，在设计仿真平台之前，理论课都是将开发板带到课堂，讲解的时候演示给学生看，但是开发板大都是多层板，而且学生也无法看清电路的连接。而仿真平台建立之后就可以让学生直接看清楚连线。同时将代码下载到仿真平台上就能够直观的看到代码的运行结果。

如嵌入式系统课程讲解的第一个实验就是输入输出，对于输出使用的是LED灯来显示。涉及到的寄存器是控制寄存器和方向寄存器。之前理论课讲解的时候主要通过在黑板上绘制灯的两种硬件连接方式，而对于GPIO端口的相关寄存器讲解就是直接讲解寄存器手册的内容。学生很难直观地将两者联系起来。笔者设计的仿真平台中第一个实验是灯的实验。为了从渐进性角度让学生理解，共设计了两个实验。

首先设计的第一个灯的实验就是控制一盏灯的亮灭。在硬件上采取的是灌电流的形式，也就是3.3V接灯再接一个电阻，而后连接到LPC2114芯片的P0.8端口上，接下来就是考虑软件代码的设计。设计的代码是先点亮灯而后延迟一段时间熄灭灯，延迟一段时间再点亮，也就是实现灯的亮灭控制。硬件接线完成之后接下来就是实现软件控制。

灯连接到P0.8端口，所以管脚选择寄存器PINSEL0设置为GPIO口的形式。而后设置方向寄存器IODIR0为输出方向，之后通过设置寄存器IOSET0以及清除寄存器IOCLR0设置此端口为高电平和低电平[2，3]。

通过这个实验就可以在理论课上讲解寄存器之后，给学生看硬件原理图，之后演示可以看到原理图中的灯亮灭。最后结合代码分析这样一个亮灭的过程，在代码中可以看到灯的输出需要使用的GPIO寄存器以及相关设置。在讲解完例子之后还能够让学生课后回去尝试换一个端口去设计一段代码以及改变硬件连接，这样学生就能够在练习的过程中熟悉相关寄存器以及GPIO输出。

关于灯的实验还设计了一个扩展实验，就是如何实现多个灯的控制。那么在设计的时候我们可以在硬件上使用多个灯直接连接到GPIO口上，但是这种设计的问题就是会占用多个GPIO口，为了节约资源，在硬件上添加一个38译码器，实现3根线控制7盏灯。设计中悬空一个端口的目的是当三根线输入是000实现所有灯全灭，当然这是一个设计问题，学生完全可以按照自己的思路结合数电知识扩展。软件代码由于篇幅问题不再讲解。

通过灯的两个实验可以看出利用proteus软件以及keil软件结合投影仪，就可以实现在理论课堂上实现软件硬件以及系统集成内容的教学，且由于可以动态仿真，所以更加形象，也能够给学生一个直观的认识。而且通过小实验能够更好的让学生理解嵌入式系统软硬件是密不可分的。通过扩展实验可以给学生一个扩展思维的方式，让学生不拘泥于所教，还可以自己利用自己的数电、电路、软件等相关课程的知识去设计一些小项目，达到了扩展学生创新思维的目的。

所以在理论课的教学中结合了仿真平台就能够更生动地完成嵌入式系统的理论课程。

2.proteus在实验课教学的应用。传统的实验课教学都是在实验室给定一块开发板进行实验，但是由于多种原因，开发板不可能每年都会更新，因此存在所学CPU单一的问题，其次开发板的所有硬件连接都是固定的，不能够进行更改，因此只能给按照给定的开发板原理图去设计实验。再次由于实验课场地以及时间的问题，学生除了上实验课时间之外，很难有机会去实践。

在实验教学中引入proteus平台，就可以建立先进的嵌入式系统仿真虚拟实验室。这样学生就可以脱离实验时间地点的限制，只要有一台电脑以及安装相关软件，就可以随时随地进行自己的嵌入式系统设计，即降低了成本，又可以提高学习的效果。Proteus可以仿真很多款ARM芯片。而且proteus软件提供了非常多的电路以及器件，如LED灯、按键、矩阵键盘、I2C、SPI、UART、AD/DA等。笔者基于此设计了一款基于LPC2114的实验仿真平台，整个硬件部分原理图都已经给定，学生可以不设计硬件，直接根据原理图和芯片手册进行设计相关软件，并且进行测试。而针对有些尖子生就可以在学习一款CPU之后掌握了如何阅读芯片手册，如何使用寄存器之后，就可以自己去选择一款proteus相关的ARM芯片，而后找到相关芯片的芯片手册，就可以自己动手去设计硬件电路软件程序，所以对于学生的动手能力有很大的培养效果。

此外对于此款软件的学习以及嵌入式系统的学习，学生可以在做嵌入式系统相关毕设的时候，先通过软件仿真验证可行性，之后再去制版，避免了硬件设计错误造成的成本损失。

三、总结

将proteus仿真平台引入嵌入式系统的教学，增加了理论课教学的直观性以及生动性。让学生能够更好地理解理论课教学的内容，也增加了理论课教学的趣味性。而仿真软件引入嵌入式系统的实验课教学则改变了学生在学习嵌入式系统实验课程时候离不开开发板和实验室的限制，能够让学生虽离开实验室仍然能够去做嵌入式相关的开发，且也能够减少实验成本。让对嵌入式感兴趣的学生可以随时随地去编写代码验证功能。而且设计了一个仿真平台并且提供了些例程代码，让大部分学生能够在不自己设计硬件但是能够看懂原理图的基础上进行嵌入式系统相关外设的学习。而针对特别优秀的学生，则可以自己选择proteus库提供的芯片，自己设计硬件电路和软件代码进行自己的系统设计。因此此款软件引入实验课教学不仅节约了成本，提高了学生学习兴趣，还有利于学生创新性的培养。

总之，将proteus仿真软件引入嵌入式系统的教学可以将理论实践更好的结合，提高了学生学习课程的积极性，此外还有利于学生创新性的培养。

参考文献：

[1]张兰红，陆广平.基于Proteus仿真的单片机教学的研究与实践[J].中国电力教育，2014，（5）：76-78.

[2]LPC2114_2124_2212_2214-02-user_cn中文手册.

[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京航空航天大学出版社，2005.