Proteus在嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的應(yīng)用

高克芳

(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性很高的課程，它涉及微機原理、接口技術(shù)等多學(xué)科的知識。同時嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性很強的課程，只有通過大量的實驗才能真正理解和掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法［1］。為了使得學(xué)生的應(yīng)用能力符合社會對嵌入式人才的需求，我們必須設(shè)計多層次的實踐環(huán)節(jié)，提供大量的實踐機會，培養(yǎng)學(xué)生主動的、創(chuàng)造性的工程實踐能力，提高學(xué)生的實踐水平。然而，現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)實驗課時較少，無法滿足對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。同時，實驗學(xué)時及實驗室開放的時間相對固定，因此對學(xué)生進(jìn)行自主實踐能力培養(yǎng)受到時間和空間的限制，無法獲得足夠的訓(xùn)練。Protues是英國Labcenter Electronic公司開發(fā)的完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計仿真平臺，它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB設(shè)計構(gòu)成。Protues能進(jìn)行SCH和PCB電路的設(shè)計，同時提供虛擬示波器、邏輯分析儀、數(shù)字信號圖形發(fā)生器、電壓表等虛擬儀器儀表。同時Proteus VSM的最大特色就是嵌入式系統(tǒng)(硬、軟件)及其外圍電路進(jìn)行協(xié)同、動態(tài)、交互式的仿真，并提供了仿真中進(jìn)行源碼調(diào)試的三種方式［2］。因此，在不需要硬件設(shè)備投入的情況下，Proteus軟件可以建立完整的嵌入式學(xué)習(xí)設(shè)計開發(fā)環(huán)境，憑借Protues軟件的這些功能，可以將嵌入式系統(tǒng)的實踐課從課內(nèi)擴(kuò)展到課外。下面就如何用Protues軟件解決在較少的實踐課時里盡可能的培養(yǎng)學(xué)生主動和創(chuàng)新能力進(jìn)行了討論。

1 實踐教學(xué)存在的問題

嵌入式實踐教學(xué)是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的核心，培養(yǎng)學(xué)生主動和創(chuàng)新能力、培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的目的。為了完成嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，我們必須通過多個實踐項目來培養(yǎng)學(xué)生嵌入式項目的開發(fā)能力。然而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)僅僅是理論教學(xué)的一個輔助手段，實驗教學(xué)的學(xué)時一般都較少。由于實驗學(xué)時較少，而且主要使用傳統(tǒng)的實驗箱來完成實踐教學(xué)，受到實驗時間和實驗條件的限制，一般只能完成驗證性實驗，只能加深和鞏固課堂上的理論知識。同時，受到實驗條件的限制，學(xué)生只能在課堂上進(jìn)行實踐訓(xùn)練，因此無法完成嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目的(培養(yǎng)學(xué)生項目開發(fā)能力)?；赑roteus的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不受時間和實驗條件的限制，因此，借助工具Proteus增強嵌入式系統(tǒng)實踐課程的教學(xué)是可行的。為了實現(xiàn)對學(xué)生嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)能力的培養(yǎng)，我們將嵌入式系統(tǒng)實踐課程分為四個部分，驗證性實驗→綜合、設(shè)計性實驗→課程設(shè)計→畢業(yè)設(shè)計。

2 驗證性實驗教學(xué)的改革

驗證性實驗僅僅是理論教學(xué)的一個輔助手段，是對課堂教學(xué)理論知識的加深和鞏固。同時，由于嵌入式系統(tǒng)涉及多學(xué)科的理論知識，這些理論知識的教學(xué)是枯燥、復(fù)雜的。為了使嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)生動化、形象化，更利于學(xué)生的快速吸收。我們借助開發(fā)工具Proteus將中斷控制、UART驅(qū)動、脈沖寬度調(diào)制PWM、AD驅(qū)動等驗證性實驗引入嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)。例如，在課堂教授PWM基本原理與如何實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制編程時，將驗證性實驗PWM引入課堂教學(xué)，首先編寫相應(yīng)的代碼［3］:

然后利用Proteus軟件集成的高級原理布圖、PCB設(shè)計以及自動布線等來設(shè)計一個簡單的電路，可以通過按鍵調(diào)節(jié)PWM的占空比。同時同學(xué)們可以利用Proteus工具提供的虛擬示波器實時的觀察脈沖寬度的變化。這種將驗證性實驗用現(xiàn)場實驗教學(xué)的方式表達(dá)出來，讓學(xué)生親眼目睹整個實驗流程與實驗結(jié)果，更有利于學(xué)生對基本原理的掌握，激發(fā)學(xué)生對嵌入式學(xué)習(xí)的興趣。

3 綜合性實驗的設(shè)計

由于在嵌入式系統(tǒng)的課堂教學(xué)中引入的驗證性實驗，驗證性實驗將不再占用嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的學(xué)時。同時由于Proteus的強大功能能為學(xué)生提供獨立設(shè)計的平臺，突破實驗室條件和開放時間對學(xué)生實驗的限制，我們在結(jié)束相應(yīng)的課堂教學(xué)后，可以將綜合性、設(shè)計性實驗(MP3播放器的設(shè)計，串口驅(qū)動程序設(shè)計，簡易示波器設(shè)計等)的要求告訴學(xué)生，激發(fā)學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí)興趣，利用課后時間主動的學(xué)習(xí)。例如，在介紹完P(guān)WM的簡單編程后，引入綜合、創(chuàng)新性實驗——步進(jìn)電機控制器的設(shè)計。如何利用PWM控制步進(jìn)電機，老師只提實驗要求和實驗?zāi)康?，不講具體的設(shè)計方法，學(xué)生根據(jù)老師提出的要求，自己設(shè)計不同的方案，借助Proteus軟件強大的器件庫和虛擬儀器庫，利用課外時間自己選擇合適的元器件搭建實驗平臺，完成硬件電路的設(shè)計，同時，利用課后時間根據(jù)課堂所學(xué)的編程知識完成軟件設(shè)計。真正上實驗課時，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下完成實驗的修改、調(diào)試、驗證。在整個實驗過程中都有學(xué)生主動參與的痕跡，改變了學(xué)生將實驗課當(dāng)差事來應(yīng)付的局面。這樣不僅充分利用課余時間加強了嵌入式系統(tǒng)的實踐教學(xué)，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生獨立判斷、分析和解決問題的能力，提高學(xué)生的實踐能力和設(shè)計能力，拉近了學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離［4］。

4 課程設(shè)計對實踐教學(xué)的強化

在嵌入式的后續(xù)學(xué)習(xí)中，根據(jù)已經(jīng)做過的驗證性、綜合性、設(shè)計性實驗設(shè)計與生活息息相關(guān)的課程設(shè)計題目，例如數(shù)字存儲示波器，具有友好人機界面的、播放與歌曲名稱同步顯示等功能更全的MP3播放器，具有觸摸屏的電子點菜系統(tǒng)等。由于Proteus軟件強大的器件庫和虛擬儀器庫，學(xué)生在完成項目的過程中，不存在元器件的損耗，同時，現(xiàn)在幾乎每個學(xué)生都有計算機，學(xué)生做項目的時間也不再受實驗室的限制。借助工具Proteus通過對這些項目的實現(xiàn)可以很好的培養(yǎng)學(xué)生項目實踐的能力，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的最終目標(biāo)。

5 結(jié)束語

在嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)過程中，利用Proteus的強大功能能很好的將理論與實踐進(jìn)行結(jié)合，更重要的是打破傳統(tǒng)實驗教學(xué)在時間和空間上對學(xué)生主動性項目開發(fā)能力培養(yǎng)的限制。實現(xiàn)了在有限的實踐課時中對學(xué)生項目開發(fā)能力的培養(yǎng)，同時拉近了課堂知識與就業(yè)的距離。

［2］周靈彬，方曙光，盧家橋，等.基于Proteus的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真中的源碼調(diào)試［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，(22):13－15.

［3］周潤景，袁偉亭.基于Proteus的ARM虛擬開發(fā)技術(shù)［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

［4］陳炳杰，余里超.基于Proteus與Keil的虛擬實驗室構(gòu)建［J］.茂名學(xué)院學(xué)報，2009，19(3):65－68.