PROTEUS实验室建设方案

PROTEUS实验室建设方案实验室建设理由及意义1.1PROTEUS简介:Proteus是一种低投资的电子设计自动化软件，提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器1.2虚拟实验室：虚拟实验室是利用计算机仿真技术，在计算机上学习模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等通常在实验室完成的实验。一台计算机、一套电子仿真软件，在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，即为虚拟实验室的本质。PROTEUS实验室：采用PROTEUS仿真软件和相应的教学支持包构成的从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品的主要用于电路、单片机或嵌入式系统课程的实验实训实验室。PROTEUS实验室建设的必要性：单片机教学包括理论与实践教学，而实践实训教学所占比例较多，硬件投入大。在实践实训的中，需要大量的实验仪器和设备。而一般的学校或个人没有较多的经费，因此，单片机的课堂教学及实验中存在诸多问题如：单片机课堂教学以往多以理论教学为主，实验教学也多是进行验证实验。但单片机是一门实践性很强的课程。教学中需要很多硬件设备，如电脑、仿真机、实验电路、编程器等。一般理论课堂难以辅助硬件进行教学，即便演示，效果也不好，一般单片机实验箱也只是起验证实验的作用。学生实验时也存在着不少问题，单片机实验室由于存在着场地和时间等问题，学生除了上课外，平时难得有机会实践。个人配备单片机实验开发系统，因成本较高，很多学生无法承受。同时一般单片机实验箱由于是成品，学生很难参与到其中的细节设计中去，学生动手能力很难得到训练与提高。实验设备不足，落后，单片机实验室建立成本高，一般学校很少有学生人手一套实验开发系统进行单片机实验及开发。就算有，由于技术的不断更新，设备的不断老化。实验仪器也会很快落后。要解决此问题需要不断的重建单片机实验室。务必带来资金耗费严重等问题。PROTEUS实验室建设的意义：PROTEUS软件具有以下优点：Proteus软件提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响。Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。鉴于PROTEUS软件的优点，则以PROTEUS软件为核心构建的虚拟实验室具有以下意义：构建实验室的硬件投入少，只需提供计算机即可。仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量仿真软件实验室是否合格的一个关键因素。PROTEUS实验室无需提供实验用仪器仪表，Proteus软件中提供了多种虚拟仪器仪表，且同一种仪器仪表可以在一个电路中随意的调用。实验室运行成本降低，因为实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题。实验室更新速度提高，而更新成本降低。实验室更新时，只需更新仿真软件即可。支持学生自行实验。PROTEUS软件支持单片机及其外围设备仿真，克服了传统实验教学时，学生自行实验时需购置较多外设备的缺点。同时采用仿真软件后，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。支持学生的创新性培养。PROTEUS实验室可充分发挥学生的创新性，克服了单片机实验箱由于是成品，学生很难参与到其中的细节设计中去的缺点，提供了训练与提高学生动手能力的平台。实验室建设的主要目标2.1实验教学体系建设和实验教学内容改革的目标、措施（新实验教学大纲的制定、实验教材及实验指导书的编写、实验实验室的更新、新开出综合性、设计性实验的名称、学生能力培养等）及效益分析2.1.1实验教学体系建设和实验教学内容改革的目标：通过PROTEUS实验室的构建，使得实验教学体系建设和实验教学内容改革达到以下目标：使实验内容更加全面。实验的内容包括软件部分的汇编、C51等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型，对同一类功能的接口电路，可以采用不同的硬件来搭建完成，从而克服传统实验硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。降低实验室构建、运行和更新成本。进一步提高学生的设计能力及创新能力。实验能力和实验设计能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的方面，因此，提供学生自行设计和创新性设计平台尤为重要。培养学生的协作能力。一个比较大的工程设计实验室，是由一个开发小组协作完成的。了解和把握别人的设计意图和思维模式，是团结协作的基础。在Proteus中进行仿真实验时，所涉及到的内容并不全是学生独立设计完成的，因此对于锻炼学生的团结协作意识，是有好处的。2.1.2实验教学体系建设和实验教学内容改革的措施:为配合实验教学体系建设和实验教学内容改革，配套以下措施:制定新的实验教学大纲；编写新的实验教材和实验指导书；更新实验实验室开设综合性实验交通信号灯模拟控制系统设计：利用单片机的定时器定时，令十字路口的红绿灯交替点亮和熄灭，并且用LED数码管显示时间。计时器系统设计：利用单片机的定时器/计数器定时和计数，用LED数码管显示计时的时间；某键按下去计时，再按一下停止计时；另一键按下去时间清零。频率计系统设计：利用单片机的定时器/计数器定时和计数，计算出频率，用LED数码管显示出来。模拟时钟系统设计：从键盘上输入时间初值用定时器产生0.1s定时中断对时钟计数器计数，并将数值定时送数显管显示。秒表系统设计：用AT89C51设计一个2位LED数码显示“秒表”，显示时间为00—99秒，每秒自动加1，另设计一个“开始按键”和一个“复位”键。开设设计性实验计算器的设计基于铂电阻温度传感器的温度测控系统设计基于一线数字温度传感器（DS18B21）的温度测控系统设计直流电机控制伺服电机控制2.1.3实验教学体系建设和实验教学内容改革的效益分析：建立的新的实验教学体系，并进行相应的教学内容改革，将对教学带来以下效益：降低实验室建设投入；降低实验室运行投入；降低实验室更新投入；降低实验室设备维护投入；提高实验质量，从而提高教学质量；可培养学生的实验室设计能力，并降低学生科研投入；支持学生创新性设计；可培养学生的团队合作能力。2.2本实验室建成后的特色与定位、硬件水平与国内高校同类实验室的对比分析2.2.1本实验室建成后具有以下特色：实验内容全面；硬件投入少，经济优势明显；学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力；实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题；与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程；大量的范例，可供学生参考处理；协作能力的培养和锻炼；支持网络环境，实现实验室的虚拟化和网络化，大大提供实验室的使用效率和范围。2.2.2本实验室建成后的定位：由于本系统采用虚拟软件和实物验证相结合的实验室模式，实验内容更加灵活，可根据不同学校的具体培养目标合理设置实验内容。对于以培养学生操作能力的院校，实验内容的设置可侧重于基础性实验；对于以培养学生综合性能力的院校，实验内容的设置可侧重于综合性实验；对于以培养学生创新性能力的院校，实验内容的设置则可侧重于设计性实验；综上所述，PROTEUS实验室可满足各类大、中专院校不同的实验要求。2.2.3本实验室建成后的硬件水平本实验室建成后，实验室的硬件水平直接和软件挂钩，硬件随着软件的更新而更新。PROTEUS软件的硬件满足单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势；具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等；目前世界上多种主流单片机系列以及各种外围芯片；支持大量的存储器和外围芯片。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，硬件库随时与更新。因此，本实验室建成后，虚拟实验室的硬件水平可与当前硬件的发展同步。2.2.4本实验室建成后与国内高校同类实验室比较具有以下优势：实验内容更加全面。实验内容包括软件部分的汇编、C51等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型。对于传统的采用单片机实验教学板的教学实验，由于硬件电路的固定，也就将单片机的CPU和具体的接口电路固定了下来。在单片机的实际教学中，如果要涉及到51系列，也要涉及到PIC16系列，那么为了教学必然要投入两种单片机的实验教学板；同时在教学过程中所涉及到的接口电路，也需要有较大的投入和储备，以利于实验的进行和在实验过程中元件损毁后的更换。而使用PROTEUS实验室，其支持的单片机类型有：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系列以及各种外围芯片，大大提高了实验室的综合能力，这是采用传统实验室模式无法企及的。实验室成本降低。学生设计能力得到充分体现；学生创新性得到进一步的支持；教学内容可与实际要求更贴近；学生对教学内容的理解可更透彻；Proteus具有网络授权模式，可以实现实验室的虚拟化和网络化，开创实验与教学的全新模式。本实验室的配置方案和选项3.1ProteusDesignSuite的功能与特点3.1.1智能原理图设计丰富的器件库超过10000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。3.1.2完善的仿真功能ProSPICE混合仿真基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过8^0个仿真器件可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析;独特的单片机协同仿真功能支持主流的CPU类型，如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、HC11、BasicStamp等，CPU类型随着版本升级还在继续增加；支持通用外设模型，如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；3.1.3实用的PCB设计平台16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层加上板沿，禁止布线层，抗蚀掩模和阻焊层任意角元件的布置和焊盘栈完全自动的连线（ratsnest）以及力向量生成理想的基于网表的手工布线系统无栅，多边形电源板物理设计规则检测保证设计的完整性超过1000种标准封装的元件库Windows装置的任何输出完整的CAMCAM输出以及嵌板工具自动插入机器的拾取和布置文件自动设计：元件自动布置；基于多策略栅格的自动布线；SMT输出的特殊例行程序；在多数板上实现100%撤消以及重试；减少过孔的数目和铜膜导线的长度。3.1.4Proteus网络版ProteusDesignSuite有单机版和网络版两种选择；如果采用网络版配置，将只有一个USB加密狗安装在服务器上，并锁定相应的用户数，在校园网范围内的PC机都可以得到授权并进行仿真和实验，但同时在线的客户端总数不能超过已购买的总授权用户数；采用网络版的Proteus,可真正实现实验室的虚拟化、网络化以及实验室的开放。3.2 Proteus教学支持包ProteusDesignSuite是一个巨大的教学资源，可以用于：-模拟电路与数字电路的教学与实验；-单片机与嵌入系统的教学与实验；-微控制器系统的综合实验；-创新实验与毕业设计。-项目设计与产品开发一个完整的软件实验平台给电子学的教学与实验带来了创新的思路，学生们可以通过强大的EDA平台，直观、深入了解技术细节，做到理论与实际的结合，做到知其能还知其所以当然纯粹的仿真软件平台对学生建立感性认识、动手能力，甚至对实际系统的认识与掌握还是不够的，最终还必须结合真正的硬件系统，真正实践从概念到完成的全过程，这样才能真正培养出一个出色的社会需要的应用型人才。所以我们针对不同的实验层次，与大学有丰富教学经验的一线教师合作，开发出了相应的基于Proteus的教学支持包，配备了相应的硬件板、实验内容、工程设计文件、实验指导书和课件，真正解决Proteus在实验室的具体实现和完善实验的最后时间环节。为了帮助和促®Proteus在教学上的应用在Labcenter推出优惠的大学计划的同时，风标电子结合国内的教学需要和roteus的独特功能，和国内相关专业的骨干教师合作，设计并提供一系列的教学支持包，包括数字电路实验、模拟电路实验、单片机实验、ARM7嵌入式教学实验。通过Proteus仿真设计软件与支持包的结合，使抽象的电子专业教学形象化、具体化。既提高了学生的学习兴趣也提高了课程实验的效率，更加使学生理解和掌握了从概念到产品的完整过程，从而开辟了电子实验课程的崭新教学模式。支持包由实验指导书、实验板（套件X相应示例的设计文档（源程序+Proteus设计文件）目前的教学支持包主要有：数电、模电教学支持包基于MCS51的Proteus教学支持包A包基于MCS51的Proteus教学支持B包基于LPC2000ARM的Proteus教学支持包3.2.1基于MCS51的Proteus教学支持包A包主要模块与实验：1、用Proteus实现的仿真基础实验：单管放大电路的分析晶体管负反馈放大电路的分析反向迟滞比较器电路的分析互补对称功率放大器电路分析稳压电源电路555型集成定时器计数器电路译码器和数据选择器电路数字电子钟电路2、用Proteus实现的单片机仿真实验和实操实验：实验1：I/O口输出实验一LED跑马灯实验实验2：I/O口输入/输出实验-模拟开关灯实验3：8255扩展开关量的输入和输出实验实验4：无译码的七段数码管显示实验实验5：BCD码译码的多位数码管扫描显示实验实验6：独立式键盘实验实验7：不同模式下的定时器0实验实验8：不同模式下的计数器0实验实验9：单一外部中断实验实验10：多个中断同时存在实验（包括扩展定时器中断实验）实验11：矩阵键盘扫描中断实验实验12：串行端口输出扩充实验实验13：串行端口输入扩充实验实验14：8051与PC机之间串行通信实验实验15：两8051单片机双工收发数据实验（包括中断方式实验）实验16：I2C总线——AT24C02存储器读写实验实验17：1线数字式温度传感器DS18B20实验实验18：实时时钟DS1302实验实验19：A/D变换实验实验20：D/A变换实验实验21:字符型液晶显示实验实验22：液晶显示实验点阵型2.2基于MCS51的Pro