Proteus仿真在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件課程中的應(yīng)用
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引言
物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體,讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)工程是一門覆蓋范圍很廣的綜合性交叉學(xué)科,涉及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、自動化、通信工程、信息安全等諸多學(xué)科領(lǐng)域,有著廣闊的應(yīng)用前景。它改變了人類之前物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施截然分開的傳統(tǒng)思維,將具有自我標(biāo)識、感知和智能的物理實體基于通信技術(shù)有效連接在一起,使得管理、生產(chǎn)制造、個人生活實現(xiàn)互聯(lián)互通,被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后,世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。
隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會各個行業(yè)的快速發(fā)展,它已經(jīng)進(jìn)入到了各種應(yīng)用領(lǐng)域。因此物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)在高校的人才培養(yǎng)中日益提上了日程,隨著“十二五”規(guī)劃中將物聯(lián)網(wǎng)列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)面臨著長足發(fā)展的良好機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個實踐性很強(qiáng)的專業(yè),它的建設(shè)一貫遵循理論與實踐相結(jié)合的方針,注重對學(xué)生的理論知識和動手能力的雙重培養(yǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)工程作為一門新的專業(yè),關(guān)于它的課程體系、培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的研究得到了各個高校的普遍重視。本文基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)展的新需求,以硬件類課程為依托,弓入Proteus虛擬仿真平臺,提出面向工程應(yīng)用的培養(yǎng)方案,形成了理論內(nèi)容與實驗仿真相結(jié)合,課內(nèi)實驗與開放性實驗室相結(jié)合,系列課程全程貫穿實際工程應(yīng)用的聯(lián)合教學(xué)模式。
1物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件系列課程的培養(yǎng)模式
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程整體上可分為硬件類課程和軟件類課程,其中硬件類課程是基礎(chǔ),軟件類課程是靈魂。硬件類課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)置中的重要的基礎(chǔ)部分,也是后續(xù)其他其它課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。目前在各高校和硬件類相關(guān)課程主要有《電路》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》以及《嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與用》等課程。這些硬件類課程具有抽象性高、理解難度大等特點。傳統(tǒng)的授課過程中教師多采用黑板板書同時多媒體課件輔助的形式,這種教學(xué)手段講授的內(nèi)容比較抽象,但是若在授課過程中將實驗室器材搬到教室中又很不方便,學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)效果不好。這種教學(xué)方式存在理論講授與實踐演示相脫節(jié)的弊端,難于通過實驗操作向?qū)W生展示理論知識的直觀應(yīng)用效果,因此往往造成知識講授枯燥無味、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、教學(xué)效果不佳等問題。
隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展,對教學(xué)的現(xiàn)代化提出了新的要求,并提供了很大的方便。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程的教學(xué)中,完全有條件把教學(xué)和實驗內(nèi)容利用計算機(jī)仿真軟件先進(jìn)行仿真、模擬調(diào)試后再用硬件實現(xiàn),同時在課堂上將元器件的工作特性通過仿真軟件實時展現(xiàn)出來。所以通過在教學(xué)中把EDA電路設(shè)計軟件引進(jìn)教學(xué)和實驗中,教學(xué)過程中教師使用仿真軟件展示元器件的工作特性,課下學(xué)生再通過仿真軟件上完成電路的功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、性能分析、時序測量直至印制電路板的自動設(shè)計,這種方法集教學(xué)、學(xué)習(xí)、設(shè)計、創(chuàng)新于一體,拓展了教學(xué)和實驗的深度和廣度,同時提高了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣,將會取得很好的效果。
2基于Proteus的虛擬仿真平臺
2.1平臺軟件Proteus介紹
ProteusISIS是英國LabcenterElectronics公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件,可以仿真分析各種模擬器件和集成電路叫它的主要功能包括:
(1)實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真的結(jié)合。它具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路仿真,RS232接口的動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器仿真、SPI調(diào)試器仿真、鍵盤和LCD仿真等功能;有多種虛擬儀器可供仿真調(diào)試使用,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。
(2)支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有8051系列,68000系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系歹叭ARM系列以及各種外圍芯片。
(3)提供軟件調(diào)試功能。在系統(tǒng)仿真時該軟件具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能,可以觀察各個變量、寄存器、內(nèi)部RAM的當(dāng)前狀態(tài),同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如KeilC51軟件。
(4)具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。利用軟件提供的元器件庫可繪制模擬電路、數(shù)字電路、模擬與數(shù)字混合電路、單片機(jī)應(yīng)用電路。它涵蓋了電工電子實驗室、電子技術(shù)實驗室、數(shù)字邏輯實驗室、計算機(jī)組成原理實驗室、接口技術(shù)實驗室、單片機(jī)應(yīng)用實驗室等的大部分功能。
使用Proteus軟件來構(gòu)建虛擬的教學(xué)和實驗平臺,可以有效解決教學(xué)中存在的理論講授與實踐演示相脫節(jié)的弊端。教師在課堂通過使用Proteus仿真課本上的理論內(nèi)容,以生動形象的仿真效果形式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生在課下使用仿真軟件自我學(xué)習(xí)其他相關(guān)內(nèi)容,自行設(shè)計實驗項目,嘗試自我解決學(xué)習(xí)過程的各種疑難問題,更加扎實地掌握硬件類專業(yè)課內(nèi)容。
結(jié)合Proteus虛擬實驗平臺的高效率和較好互動性,本文分別以Proteus在數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理中的具體應(yīng)用為例,展示Proteus在這些硬件類課程中的具體使用方法。
Proteus在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用
數(shù)字電子技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,其主要內(nèi)容是組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設(shè)計。在教學(xué)中,通過引入Proteus的虛擬系統(tǒng)仿真模型,可以集電路的設(shè)計與仿真于一體,讓學(xué)生直觀地看到電路的運行效果,增強(qiáng)教學(xué)生動性和直觀性,加深對常用中規(guī)模集成電路的理解和掌握叫
例如,在學(xué)習(xí)譯碼器這部分內(nèi)容時候,通過使用Proteus仿真二進(jìn)制3-8譯碼器74LS138,能使學(xué)生更好地掌握其用法。
如圖1所示,當(dāng)選通段E1為高電平,另兩個選通段(E2和E3)為低電平時,可將地址端A2A1A0的二進(jìn)制編碼在Y0~Y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。圖中當(dāng)A2A1A0=010時,則Y2輸出端輸出低電平信號0。
圖174LS138芯片功能測試結(jié)果圖
Proteus在模擬電子技術(shù)中的應(yīng)用
三極管是電路電子學(xué)課程非常重要的內(nèi)容,只有掌握三極管的相關(guān)知識,才能為后續(xù)的放大電路的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)[6]。在以往的學(xué)習(xí)中,老師上課中只講理論,然后將輸出特性圖片展示在投影上,這樣效果不明顯,學(xué)生只能記憶結(jié)果。
采用Proteus仿真系統(tǒng),根據(jù)三極管工作在放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)的特性,畫出三極管輸出特性電路圖,如圖2所示。仿真后在模擬圖表中繪出輸出特性曲線,通過輸出特性曲線,使學(xué)生能夠更好地理解三極管工作在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)的條件。采用這種方法能夠使學(xué)生在實際操作中掌握元器件的特性和原理,提高學(xué)習(xí)的興趣。
圖2三極管2N222的輸出特性曲線
Proteus在單片機(jī)原理中的應(yīng)用
相對于Multisim、EWB、Protel這些常見的EDA設(shè)計軟件,Proteus最大的優(yōu)勢就是能對MCU進(jìn)行仿真和測試[7]。在前期教學(xué)的理論講解后,同時在課堂上利用Proteus軟件進(jìn)行仿真效果演示,按照設(shè)計好的單片機(jī)應(yīng)用實例,向?qū)W生演示單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計開發(fā)、調(diào)試修改的全過程,從而使學(xué)生對單片機(jī)各個模塊的工作原理、設(shè)計方法有深刻的了解。例如在學(xué)習(xí)DA轉(zhuǎn)換器DAC0832時候,單純的理論學(xué)習(xí)DAC0832是非??菰餆o味的,通過在課堂上和實驗中先使用Proteus仿真,在Keil軟件里面編寫程序,然后將Proteus和Keil聯(lián)合調(diào)試,使學(xué)生能夠動態(tài)掌握相關(guān)知識,這將極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
如圖3所示,通過連接引腳,使得圖中的DAC0832中的8位輸入寄存器處于受控制狀態(tài),8位DAC寄存器處于直通
狀態(tài),這樣DAC0832轉(zhuǎn)換器工作于單緩沖工作方式,仿真運行后,通過虛擬示波器,觀察到到從DAC0832輸出端產(chǎn)生三角波信號。
圖3DAC0832輸出三角波波形圖
Proteus在其它課程中應(yīng)用
Proteus元件庫中所包含的各種類型、品種豐富的物理元件、各種激勵源可達(dá)到對應(yīng)信號發(fā)生器的效果,強(qiáng)大精確的虛擬檢測儀器儀表可以實現(xiàn)對任何觀測點檢測,因此在電子測量技術(shù)這門課中引入Proteus,同樣能夠使學(xué)生從直觀效果到微觀分析全面掌握這門課。
Proteus的虛擬仿真系統(tǒng)除了支持8051系列MCU,還支持ARM7、PIC、MSP430等多種系列。因此,在微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等課程的教學(xué)中,Proteus同樣也能夠起到很好的教學(xué)效果。
3結(jié)語
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程公式多、推導(dǎo)繁,概念抽象且不易理解與掌握。在教學(xué)中如何選取合適的講授方法很重要。本文在介紹Proteus虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上,結(jié)合實例展示了Proteus仿真軟件在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)原理等硬件課程教學(xué)與實驗中的應(yīng)用。將課本上的理論知識通過計算機(jī)仿真“真實”地展現(xiàn)出來,將抽象的概念變?yōu)樾蜗?、生動、直觀的圖形和實例,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性,變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。
相對比傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件實驗室,Proteus具有投入低、教學(xué)效果好的優(yōu)點。以Proteusfor8051為例,基于Proteus軟件,可以構(gòu)建虛擬硬件實驗環(huán)境,擴(kuò)展單片機(jī)課程實踐教學(xué)的綜合設(shè)計類實驗內(nèi)容,提高實踐教學(xué)內(nèi)容的理論層次及技術(shù)含量。經(jīng)大一大二學(xué)生的教學(xué)實踐證明采用這種方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自主開發(fā)設(shè)計能力,提高了實踐教學(xué)效果,節(jié)省了實驗設(shè)備購置費用,降低了實驗設(shè)備的損耗,具有很好的推廣價值。
隨著LabcenterElectronic公司對Proteus軟件的不斷升級,其VSM的品種也將越來越豐富,設(shè)計與仿真的功能也將越來越強(qiáng)。因此,在未來的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程的教學(xué)過程中,借助該軟件的設(shè)計與仿真平臺,物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和應(yīng)用能力都將不同程度得到鞏固和提高。
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