基于proteus的生物醫(yī)學工程專業(yè)微機原理實驗教學改革

任 杰 許紅玉 周 穎 楊镕濤

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院 上海 200093）

生物醫(yī)學工程是理、工、醫(yī)相結(jié)合的新興邊緣學科，隨著人們對健康需求的提高，生物醫(yī)學工程得到了迅速發(fā)展。[1]微機原理課程是生物醫(yī)學工程的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是學習后續(xù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)，在生物醫(yī)學工程的專業(yè)建設(shè)和課程體系建設(shè)中占有非常重要的地位。

微機原理課程涵蓋了電子電路、計算機語言等課程的許多知識點，并涉及多種芯片，可以說這門課程的知識點多，概念抽象，教學要求高。因此，微機原理課程往往需要配套相應(yīng)的實驗教學環(huán)節(jié)來增加學生對于課程知識點的認識，提高學生的理解力和實踐動手能力。[2]傳統(tǒng)實驗教學方法多數(shù)是利用硬件實驗箱來完成，這種模式實驗過程單一，限制了學生的主動性和創(chuàng)新性，而且實驗項目不能很好地結(jié)合專業(yè)特點。而利用proteus進行微機原理實驗，可以突破實驗箱固有實驗的限制，增加實驗的獨創(chuàng)性，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性，引起學生的學習興趣。

一、基于Proteus的實驗課程改革目的

Proteus軟件是英國Labcenterelectronic公司開發(fā)的一款電子設(shè)計自動化工具軟件，具有豐富的元件庫、圖表模式、虛擬儀器、仿真模型等資源，可以對電路進行交互式仿真，可以完成對電路的設(shè)計、制版及仿真等一系列操作。[3]尤其是借助Proteus軟件中的仿真圖表、示波器等動態(tài)虛擬分析器件，可以實現(xiàn)微機原理的抽象復(fù)雜工作原理、存儲機制、通訊過程等的展示。實驗課程上也可借助Proteus軟件實現(xiàn)硬件和軟件設(shè)計的結(jié)合，鍛煉學生的實踐動手能力，增加實驗的獨創(chuàng)性和專業(yè)性，加深學生對于微機原理中理論知識的認識，提高實驗教學效果。

二、基于Proteus的實驗課程改革仿真案例分析

作為傳統(tǒng)課程實驗所使用的實驗箱，芯片已經(jīng)固定，線路也已經(jīng)規(guī)劃好，所以實驗箱的功能受到極大的限制，實驗內(nèi)容也比較固定，造成實驗項目和更新都受到一定限制。[4]而對于Proteus仿真軟件而言，為實驗課程提供了大量的數(shù)模元件庫、各種的信號激勵源、豐富的虛擬儀器，而且電路搭建的自由性也極大地為學生實驗提供了便利。同時，教師也可根據(jù)自身的專業(yè)特點和日常的項目特征設(shè)計更具有代表性和具有可操作性的實驗，讓學生能夠更好地認識微機原理在項目設(shè)計中的作用。[5]

本實驗案例就是根據(jù)生物醫(yī)學工程的特點，以醫(yī)學領(lǐng)域暖箱設(shè)備為例，要求學生設(shè)計一個暖箱溫度報警系統(tǒng)，讓學生用Proteus完成硬件設(shè)計，EMU8086完成軟件設(shè)計，由8086、8255和DS18B20等芯片共同仿真調(diào)試完成，從而讓學生認識電路設(shè)計應(yīng)注意的問題，從而對生物醫(yī)學工程設(shè)計有一定的了解。

（一）總體設(shè)計方案

系統(tǒng)包括5個部分：控制部分、溫度傳感部分、顯示部分、報警部分、異常開關(guān)的部分。各部分相互關(guān)系如圖所示。

圖 硬件設(shè)計框圖

硬件的設(shè)計思路是用8086芯片為CPU設(shè)計一款溫度報警系統(tǒng)，控制部分主要由8086芯片、8255A接口芯片、74LS138譯碼器、74HC373鎖存器構(gòu)成，溫度信號由DS18B20獲取，經(jīng)過CPU的處理，顯示部分由數(shù)碼顯像管顯示。8255A的B口和C口的高四位接LED顯示屏，C口的低四位作為輸入接收異常開關(guān)的按鍵和溫度傳感器的數(shù)據(jù)線，把開關(guān)信息和溫度信息傳給CPU處理，處理的結(jié)果通過LED顯示管顯示，或者通過A口的輸出端引發(fā)報警。其軟件流程圖如下圖所示：

圖 軟件程序流程圖

（二）部分硬件設(shè)計

1.顯示部分

溫度顯示是本次設(shè)計重要的一部分，在嬰兒暖箱的設(shè)計中是必不可少的。溫度顯示的功能讓醫(yī)護人員可以時時了解暖箱溫度變化情況，從而做出相應(yīng)的調(diào)整，保證嬰兒處于舒適的環(huán)境中。本次設(shè)計采用的是四位共陰數(shù)碼顯示管，通過與8255的通訊，實時顯示暖箱溫度。如圖所示。

圖 數(shù)碼顯示管

2.溫度傳感器電路設(shè)計

本案例中采用的溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS公司研發(fā)出來的，可以用來獲取溫度。在其內(nèi)部有復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了包括溫度感知、溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)發(fā)送等諸多功能，其電路連接圖如下圖所示。

圖 DS18B20硬件圖

溫度傳感器DS18B20將其獲取的溫度值以數(shù)字信號的形式直接輸出，以“一線總線”串行方式送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。[6]

3.仿真結(jié)果分析

本案例中設(shè)定的正常溫度范圍是28℃～34℃，這個溫度范圍也符合早產(chǎn)兒或者危重嬰兒對于環(huán)境的溫度要求，當經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的十進制溫度低于28℃或者高于34℃，蜂鳴器就會響起。如下圖所示，蜂鳴器由一個三極管作為開關(guān)，對于這個三極管這次選擇的是PNP型的。

圖 仿真結(jié)果

實驗最終仿真結(jié)果如上圖所示，左圖為暖箱測試溫度為26度，低于28度的設(shè)置，因此LED燈顯示為黃色，蜂鳴器也響起報警。右圖暖箱測試溫度為35度，高于最高溫度的設(shè)定，因此LED燈和蜂鳴器一起報警。

三、結(jié)束語

通過以上項目的實驗，可以看出在微機原理試驗教學中引入Proteus軟件，以項目化的實驗教學方式使學生能在實踐中探索學習新知識，體驗從概念到產(chǎn)品設(shè)計的全過程。因此，相比較傳統(tǒng)的試驗箱教學方式，基于Proteus軟件的微機原理實驗教學更能提高學生的學習興趣與激情。Proteus軟件設(shè)計的直觀性也豐富了教學的方法，讓實驗教學更具吸引力。同時，Proteus仿真實驗可以在實驗課程以外的空間和時間內(nèi)完成，彌補了實驗教學的局限性，極大地推動了實驗教學的網(wǎng)絡(luò)教學部分的發(fā)展。