Proteus仿真在物联网专业硬件课程中的应用

引言

物联网(InternetofThings)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网工程是一门覆盖范围很广的综合性交叉学科，涉及计算机科学与技术、电子科学与技术、自动化、通信工程、信息安全等诸多学科领域，有着广阔的应用前景。它改变了人类之前物理基础设施和IT基础设施截然分开的传统思维，将具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术有效连接在一起，使得管理、生产制造、个人生活实现互联互通，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。

随着物联网在社会各个行业的快速发展，它已经进入到了各种应用领域。因此物联网专业技术人才的培养在高校的人才培养中日益提上了日程，随着“十二五”规划中将物联网列为国家战略性新兴产业，物联网专业的建设面临着长足发展的良好机遇。物联网专业作为一个实践性很强的专业，它的建设一贯遵循理论与实践相结合的方针，注重对学生的理论知识和动手能力的双重培养。

物联网工程作为一门新的专业，关于它的课程体系、培养模式和教学方法的研究得到了各个高校的普遍重视。本文基于物联网专业人才培养发展的新需求，以硬件类课程为依托,弓入Proteus虚拟仿真平台，提出面向工程应用的培养方案，形成了理论内容与实验仿真相结合，课内实验与开放性实验室相结合，系列课程全程贯穿实际工程应用的联合教学模式。

1物联网专业硬件系列课程的培养模式

物联网专业的课程整体上可分为硬件类课程和软件类课程，其中硬件类课程是基础，软件类课程是灵魂。硬件类课程是物联网专业课程设置中的重要的基础部分，也是后续其他其它课程学习的基础。目前在各高校和硬件类相关课程主要有《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《微机原理与接口技术》、《单片机原理及应用》以及《嵌入式系统的设计与用》等课程。这些硬件类课程具有抽象性高、理解难度大等特点。传统的授课过程中教师多采用黑板板书同时多媒体课件辅助的形式，这种教学手段讲授的内容比较抽象，但是若在授课过程中将实验室器材搬到教室中又很不方便，学生普遍反映学习效果不好。这种教学方式存在理论讲授与实践演示相脱节的弊端，难于通过实验操作向学生展示理论知识的直观应用效果，因此往往造成知识讲授枯燥无味、学生学习兴趣不高、教学效果不佳等问题。

随着计算机仿真技术的快速发展，对教学的现代化提出了新的要求，并提供了很大的方便。在物联网专业硬件类课程的教学中，完全有条件把教学和实验内容利用计算机仿真软件先进行仿真、模拟调试后再用硬件实现，同时在课堂上将元器件的工作特性通过仿真软件实时展现出来。所以通过在教学中把EDA电路设计软件引进教学和实验中，教学过程中教师使用仿真软件展示元器件的工作特性，课下学生再通过仿真软件上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测量直至印制电路板的自动设计，这种方法集教学、学习、设计、创新于一体，拓展了教学和实验的深度和广度，同时提高了学生学习新知识的兴趣，将会取得很好的效果。

2基于Proteus的虚拟仿真平台

2.1平台软件Proteus介绍

ProteusISIS是英国LabcenterElectronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，可以仿真分析各种模拟器件和集成电路叫它的主要功能包括：

（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。它具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路仿真,RS232接口的动态仿真、I2C调试器仿真、SPI调试器仿真、键盘和LCD仿真等功能；有多种虚拟仪器可供仿真调试使用，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有8051系列,68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系歹叭ARM系列以及各种外围芯片。

（3）提供软件调试功能。在系统仿真时该软件具有全速、单步、设置断点等调试功能，可以观察各个变量、寄存器、内部RAM的当前状态，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51软件。

（4）具有强大的原理图绘制功能。利用软件提供的元器件库可绘制模拟电路、数字电路、模拟与数字混合电路、单片机应用电路。它涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、数字逻辑实验室、计算机组成原理实验室、接口技术实验室、单片机应用实验室等的大部分功能。

使用Proteus软件来构建虚拟的教学和实验平台，可以有效解决教学中存在的理论讲授与实践演示相脱节的弊端。教师在课堂通过使用Proteus仿真课本上的理论内容，以生动形象的仿真效果形式来提高学生的学习兴趣，引导学生在课下使用仿真软件自我学习其他相关内容，自行设计实验项目，尝试自我解决学习过程的各种疑难问题，更加扎实地掌握硬件类专业课内容。

结合Proteus虚拟实验平台的高效率和较好互动性，本文分别以Proteus在数字电子技术、模拟电子技术、单片机原理中的具体应用为例，展示Proteus在这些硬件类课程中的具体使用方法。

Proteus在数字电子技术中的应用

数字电子技术是物联网专业一门非常重要的专业基础课,其主要内容是组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与设计。在教学中，通过引入Proteus的虚拟系统仿真模型，可以集电路的设计与仿真于一体，让学生直观地看到电路的运行效果,增强教学生动性和直观性，加深对常用中规模集成电路的理解和掌握叫

例如，在学习译码器这部分内容时候，通过使用Proteus仿真二进制3-8译码器74LS138,能使学生更好地掌握其用法。

如图1所示，当选通段E1为高电平，另两个选通段（E2和E3）为低电平时，可将地址端A2A1A0的二进制编码在Y0~Y7对应的输出端以低电平译出。图中当A2A1A0=010时,则Y2输出端输出低电平信号0。

图174LS138芯片功能测试结果图

Proteus在模拟电子技术中的应用

三极管是电路电子学课程非常重要的内容，只有掌握三极管的相关知识，才能为后续的放大电路的学习打好基础［6］。在以往的学习中，老师上课中只讲理论，然后将输出特性图片展示在投影上，这样效果不明显，学生只能记忆结果。

采用Proteus仿真系统，根据三极管工作在放大区、截止区、饱和区的特性，画出三极管输出特性电路图，如图2所示。仿真后在模拟图表中绘出输出特性曲线，通过输出特性曲线,使学生能够更好地理解三极管工作在截止区、放大区和饱和区的条件。采用这种方法能够使学生在实际操作中掌握元器件的特性和原理，提高学习的兴趣。

图2三极管2N222的输出特性曲线

Proteus在单片机原理中的应用

相对于Multisim、EWB、Protel这些常见的EDA设计软件,Proteus最大的优势就是能对MCU进行仿真和测试［7］。在前期教学的理论讲解后，同时在课堂上利用Proteus软件进行仿真效果演示，按照设计好的单片机应用实例，向学生演示单片机系统软硬件设计开发、调试修改的全过程，从而使学生对单片机各个模块的工作原理、设计方法有深刻的了解。例如在学习DA转换器DAC0832时候，单纯的理论学习DAC0832是非常枯燥无味的，通过在课堂上和实验中先使用Proteus仿真，在Keil软件里面编写程序，然后将Proteus和Keil联合调试，使学生能够动态掌握相关知识，这将极大提高学生学习的积极性。

如图3所示，通过连接引脚，使得图中的DAC0832中的8位输入寄存器处于受控制状态，8位DAC寄存器处于直通

状态，这样DAC0832转换器工作于单缓冲工作方式，仿真运行后，通过虚拟示波器，观察到到从DAC0832输出端产生三角波信号。

图3DAC0832输出三角波波形图

Proteus在其它课程中应用

Proteus元件库中所包含的各种类型、品种丰富的物理元件、各种激励源可达到对应信号发生器的效果，强大精确的虚拟检测仪器仪表可以实现对任何观测点检测，因此在电子测量技术这门课中引入Proteus，同样能够使学生从直观效果到微观分析全面掌握这门课。

Proteus的虚拟仿真系统除了支持8051系列MCU，还支持ARM7、PIC、MSP430等多种系列。因此，在微机原理与接口技术、嵌入式系统等课程的教学中，Proteus同样也能够起到很好的教学效果。

3结语

物联网专业硬件类课程公式多、推导繁，概念抽象且不易理解与掌握。在教学中如何选取合适的讲授方法很重要。本文在介绍Proteus虚拟仿真软件的基础上，结合实例展示了Proteus仿真软件在物联网工程专业中的模拟电子技术、数字电子技术和单片机技术原理等硬件课程教学与实验中的应用。将课本上的理论知识通过计算机仿真“真实”地展现出来，将抽象的概念变为形象、生动、直观的图形和实例，提高学生的学习热情和积极性，变被动学习为主动学习。

相对比传统的物联网专业硬件实验室，Proteus具有投入低、教学效果好的优点。以Proteusfor8051为例，基于Proteus软件，可以构建虚拟硬件实验环境，扩展单片机课程实践教学的综合设计类实验内容，提高实践教学内容的理论层次及技术含量。经大一大二学生的教学实践证明采用这种方法提高了学生的学习兴趣与自主开发设计能力，提高了实践教学效果，节省了实验设备购置费用，降低了实验设备的损耗,具有很好的推广价值。

随着LabcenterElectronic公司对Proteus软件的不断升级，其VSM的品种也将越来越丰富，设计与仿真的功能也将越来越强。因此，在未来的物联网专业硬件类课程的教学过程中，借助该软件的设计与仿真平台，物联网专业学生的学习效果和应用能力都将不同程度得到巩固和提高。

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