1、PROTEUS实验室建设方案电子类学科专业Proteus实验室的建设方案广州市风标电子技术有限公司电子类学科专业Proteus实验室的建设方案1.引言随着电子技术的不断发展, 电子类课程在高教中的地位日趋重要。而作为该类课程教学重要组成部分的实验教学，也越来越受到了人们的重视。它对于提高教学质量，培养学生的实际动手能力及创新思维能力具有无可比拟的作用。长期以来，高教研究者、工作者一直为此探索，并希望找到一个行之有效的方法。为此，人们借助现有的电子技术手段，建立了多种门类的实验平台（如电路分析实验室、模拟电子线路实验室、数字电路实验室、信号和系统实验室等），并在此平台上开设了相应的实验课程。尽管
2、如此，这些措施并未达到预期的效果。特别是在电子技术高速发展的今天，这些方法及手段已经显得不再适宜，建立一套新的实验手段及方法已成为高教研究者、工作者的共识。2.现有实验室存在的问题目前，现有的电子类实验室大多存在以下问题：2.1不利于管理及维护现有电子类实验室种类多、如电路实验室、电子线路实验室、数字电路实验室、单片机实验室、微机原理实验室、ARM实验室（或嵌入式系统实验室）、信号系统实验室、数字信号处理实验室等；在每一类实验室中，设备种类多、数量大（如，各类信号源设备、各类测试仪器仪表、各种实验箱等）。种类繁多的设备，加上分批进行的学生实验，对于有限的师资力量而言，有效的管理及维护无疑成为十
3、分艰巨的任务。2.2不利于保持实验室的先进性，也不利于保护前期的投资由于现代电子技术的飞速发展，各种新设备、新器件层出不穷，这就往往造成这样一种现状，某一种实验设备可能刚到用户的手中就面临落后的，就更不用说在2-3年后被淘汰是多么的正常。因此，基于硬件设备手段建立的实验室面临着随时可能落后的现状，要想保护其前期投资更是难上加难。2.3不利于提高实验效果现有电子类实验室大多采取一种封闭式的实验教学模式，即在规定的课时时间内，学生在规定的场地内，进行规定的实验内容（由于实验设备能力的限制造成），这种封闭式的实验教学模式，一方面由于时间及场地的限制，往往造成学生不能有充够的时间深入了解及研究实验的内
4、容，学生对实验的兴趣也被这些限制所扼杀。另一方面，固定式的验证实验内容也限制了学生的思维空间，扼杀了学生创新思维能力的培养。因此，其实验效果很难提高，这种做法实际上背离了现代实验教学改革中提出的“优化课内，强化课外”的实验教学意识。2.4实验内容彼此孤立，不利于培养学生“从概念到产品“认识的形成现有的各种电子类教学实验，基本是进行固定程式的验证式实验，实验所用的元器件，线路板已选好，学生所做的工作仅是对实验箱连连线，使用一下测试仪器、仪表，建立学生的相应概念而已。很难满足现代实验教学改革提出的三个实验层次即“基础性实验、综合性实验、创新性实验”的目标，目前的实验平台不能满足这样的训练，即：学生
5、从有一个概念（或想法）开始，然后着手电路原理图的设计、编写程序代码、调试、PCB设计，最后形成产品的整个开发过程的训练。学生通过传统实验手段所得到的训练是片面的、局部的，其对产品开发过程的认识并不深刻，这也是导致学生所学不能所用的根本原因所在。2.5不利于开展创新性研究开展创新性研究的前提是实验环境的丰富资源及其灵活可变性。但目前基于硬件的实验平台往往采取一种定式的实验或研究环境，即教师只能在有限的几种器件或线路实验板之上进行实验内容的设定或研究，学生也同样如此，这对于开展创新性研究极为不利。2.6不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力学生对某一课程实验的兴趣往往需要一段较长时间的培养才能产生
6、，但现有的课程实验由于场地不能随时、随地对学生开放，并且开放的时间也非常有限，这就不能激发学生的实验兴趣，另外其创新思维能力的培养也受到同样的限制。3.PROTEUS实验室建设的必要性3.1PROTEUS实验室概念利用计算机仿真技术，在计算机网络平台上，学习电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统（单片机使用系统、ARM使用系统）、微机原理和接口技术等课程，并进行电路设计、仿真、调试等通常在相应实验室完成的实验。一个计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套电子仿真软件，再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Pr
7、oteus仿真软件和相应的硬件平台构成一个从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主要用于电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统（单片机使用系统、ARM使用系统）等课程的实验、研究等。3.2PROTEUS仿真软件简介Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机使用系统、ARM使用系统）的仿真实验，这也是其它任何仿真软件无
8、力所及的。例如，其支持单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的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器件等。在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。3.3PROTEUS实验室的优点Proteus实验室的主要优点总结如下：1）多功能型实验室其不仅可以仿真电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机使用系统、ARM使用系统）的仿
9、真实验，因此，它完全可以称之为一个多功能的实验平台。2）开放型实验室由于其硬件是基于网络平台的，如一个单位内的局域网、或企业网、或校园网（或单机板，基于一台PC）或Internet用户。因此其实验用户可以不受传统实验室的时间、空间、及实验内容的限制。用户可以跨越时间、空间及实验内容的约束，尽情释放自己的实验兴趣及创新思维；此外，这也使得设备的利用率得到最大的发挥。3）先进型实验室 由于Proteus实验室主要由其Proteus仿真软件实现，其内置：万种以上的元器件（数字的、模拟的、交流的和直流的）及多达30多个元件库；多种现实存在的虚拟仪器仪表，如示波器、频谱分析仪，电压表、电流表、图表分析、
10、逻辑分析仪、虚拟终端等。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，可尽可能减少仪器对测量结果的影响。丰富的测试信号源用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。先进的混合仿真系统（SPICE电路仿真器+数字仿真器+MCU仿真器）。这是一个组合了SPICE3F5模拟仿真器核、基于快速事件驱动的数字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系统，SPICE的使用使得您能够采用数目众多的制造商提供的SPICE模型，目前该软件包含了6000多个模型。这些先进的内置配备，使得其能够成为先进的实验室。另外，软件还许可用户自己定制器件模型，英国Labcenter公司也能够为用户制作
11、，除此之外，软件的不断升级也可保证其器件模型同当今世界的电子技术发展同步，以上所有这些均极大地保证了实验室的先进性，并可在相当长的时间内保持其先进性。4）创新型实验室Proteus仿真软件内置的丰富资源为进行创新型实验研究奠定了基础。其仪器仪表、信号源、元器件、器件模型一应俱全，教师可以在此开展创新实验内容的研究，设计创新实验内容，学生也可以在这里开展除规定实验内容之外的个性化实验研究、创新开发研究。在这里没有时间限制、没有空间的限制、没有元器件及线路板的限制，人们可以展开自己想象的翅膀，尽情飞翔在创新的空间之中。5）易管理、维护型实验室 由于其核心为Proteus仿真软件，因此，其实验是无损
12、耗的，其管理、维护也就是用户帐户的管理、软件的安装及更新而已，这极大地降低了教师的设备管理工作量，使得教师可以有更多的精力投入到实验内容的创新研究之中出。6）低投入、高回报型实验室 同传统实验室建设相比，Proteus实验室建设可以称之为低投入、高回报型实验室。用户只需建立相应的计算机网络平台（也可使用已有的计算机网络平台），外加购买一套Proteus网络板软件，少量的实验验证板即可而已。实验室的维护费用几乎为零，同时，建立这样的实验室一个却可以同时起到多个实验室的功效（如电路分析实验室、模拟电路实验室、数字电路实验室、嵌入式系统实验室（单片机使用系统、ARM使用系统）、微机原理和接口技术实验
13、室等）。4.PROTEUS实验室架构4.1平台架构基于Proteus仿真软件的实验平台架构如下图所示：图-1 Proteus实验室平台架构在上图中，Proteus实验室物理上位于其校园网内部的某一个局域网上，该局域网上的服务器上安装Proteus服务器端软件，操作系统为Windows2000 server 或Windows2003 server，客户端PC上安装Proteus客户端软件，操作系统为Windows2000 professional或Windows2003 professional.另外，需配置少量的设计验证系统硬件，以增加学生的感官认知。4.2 资源架构Proteus实验室资源架
14、构主要由：Proteus仿真软件三大子系统+少量的设计验证硬件组成，其构成如下图-2所示图-2 Proteus实验室资源架构示意图 在上图中，Proteus仿真软件三大子系统分别为：智能原理图设计子系统（ISIS：Intelligent Schematic Input System），混合式仿真子系统（SPICE电路仿真器+数字电路器+MCU仿真器），PCB设计子系统（ARES：Advanced Routing and Editing System）,其各个子系统中所包含的模块见上图-2所列，在此不再详述。4.3实验内容架构基于Proteus实验室的实验内容架构如下图-3所示：图-3 Prot
15、eus实验室的实验内容架构 上图中，给出了Proteus实验室可以开展的实验层次以及每一实验层次可以进行的实验内容。其实验层次可分为三个层次：1）基础实验层；2）综合实验层；3）创新实验层。基础实验层的实验以培养学生操作能力为主；综合实验层的实验以培养学生综合性设计能力为主；创新实验层的实验以培养学生创新思维设计能力为主。在每一层次，均可以开展电路分析课程、模拟电子线路课程、数字电子课程、嵌入式系统课程及微机原理及接口技术课程的相应内容实验。以嵌入式系统课程为例，在基础实验层，可以进行嵌入式系统课程中规定的基本实验的仿真设计及设计验证；如仿真51系列、AVR、PIC、Motorola的68HC
16、11系列等常用的MCU使用系统的仿真设计及验证；在综合实验层，教师可以针对某一类型的MCU，如51系列MCU，给定一个综合实验（课程设计、实验）的题目，学生按照设定题目内容开展电路图设计、代码的编写、仿真调试、PCB设计、制作PCB、验证PCB设计等过程进行。在创新型实验或研究中，教师、学生可以按照自己的想法或兴趣进行相应的设计或研究。4.4Proteus实验室架构的优点通过以上架构，Proteus实验室具有以下优点:1）可以实现实验教学系统改革的目标通过Proteus实验室的构建，使得电子类实验教学系统发生根本性的改变，其具体变化如下：综合型实验室目标在Proteus实验室平台上，不仅可以仿
17、真电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机使用系统、ARM使用系统等）的仿真实验，因此，它完全可以称之为一个多功能的实验平台。开放型实验室目标由于其硬件是基于网络平台的，如一个单位内的局域网、或企业网、或校园网（或单机板，基于一台PC）。因此其实验用户可以不受传统实验室时间、空间、及实验内容的限制。用户可以跨越时间、空间及实验内容的约束，尽情释放自己的实验兴趣及创新思维。先进型实验室目标Proteus实验室内置的丰富、先进资源，使得其能够成为先进的实验室。另外，软件还允许用户自己定制器件模型，英国Labcenter公
18、司也能够为用户制作，除此之外，软件的不断升级也可保证其器件模型同当今世界的电子技术发展同步，以上所有这些均极大地保证了实验室的先进性，并可在相当长的时间内其先进性。创新型实验室目标Proteus仿真软件内置的丰富资源为进行创新型实验研究奠定了基础。其仪器仪表、信号源、器件模型一应俱全，教师可以在此开展创新实验内容的研究，设计创新实验内容，学生也可以在这里开展除规定实验内容之外的个性化实验研究、创新开发研究。在这里没有时间限制、没有空间的限制、没有元器件及线路板的限制。易管理、维护型实验室目标由于其核心为Proteus仿真软件，因此，其实验是无损耗的，其管理、维护也就是用户帐户的管理、软件的安装
19、及更新而已，这极大地降低了管理教师的工作量，使得教师可以有更多的精力投入到实验内容的创新研究之中。2）实现实验教学内容改革的目标通过Proteus实验室的建设及配套措施的实现，可以实现实验教学内容改革。其具体改革内容如下：制定新的实验教学大纲；编写新的实验教材和实验指导书；更新传统的基础型实验；开设综合型实验；开设创新型实验。3）实现个性化培养目标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第一层次的实验即：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
20、于第二层次的实验即：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第三层次的实验即：创新性实验。4.5基于Proteus实验室的实验实例下面分别以电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统的基本型实验为例，介绍基于Proteus实验室的实验实例。A:电路分析实验实例图-4所示为基于Proteus实验室的一阶RC电路响应实验仿真界面。图-4 电路分析实验一阶RC电路响应实验仿真界面利用工具自带的示波器可以非常方便地观察电路的输出情况，如图-5所示图-5 电路分析实验一阶RC电路响应曲线实验过程包括：实验电路图的创建、虚拟硬件电路的参数设置、仿真调试。在调试完毕后，还可以基于电
21、路图生成PCB板，用户可以直接利用生成的PCB工艺文件制作PCB板。B:模电实验实例图-6所示为基于Proteus实验室的RC振荡器仿真实验界面。图-6 模电实验-RC振荡器仿真实验实例其RC振荡器输出波形可以通过工具提供的虚拟示波器查看，如下图-7所示图-7 模电实验-RC振荡器仿真实验输出波形实验过程包括：实验电路图的创建、虚拟硬件电路的参数设置、仿真调试。在调试完毕后，还可以基于电路图生成PCB板，用户可以直接利用生成的PCB工艺文件制作PCB板。C:数电实验实例：图-8所示为基于Proteus实验室的数字钟实验仿真界面。图-8数电实验-数字钟实验仿真界面实验过程包括：全数字器件实验电路
22、图的创建、仿真调试。在调试完毕后，还可以基于电路图生成PCB板，用户可以直接利用生成的PCB工艺文件制作PCB板。D:嵌入式系统实验实例图-9所示为基于Proteus实验室的MCS-51使用系统仿真实验界面图-9 一个MCS-51使用系统综合实验设计示意在上述实验中，它实际上是一个简单8051单片机使用系统的设计，这样的实验可以认为是单片机课程实验的一个综合实验。在这一实验过程中，学生一方面需掌握8051单片机的内部、外部资源情况，利用其外部总线实现对显示器件LCD的数据写入；另一方面还需掌握外部器件LCD、373锁存器、和非门等的使用方法；另外，学生还需熟悉8051单片机的指令系统及编程方法
23、。此外，通过电路原理图的设计、编程、调试、PCB设计及软硬件的设计验证，可以加深学生从概念到产品的设计全过程的认知。5.PROTEUS实验室使用效果分析Proteus实验室起步于90年代初期，在短短十几年的时间内，就得到了快速的发展。目前其用户已遍布世界各地，这其中既有国际知名的企业，如ST、Motorola、Sony、Philips等，也有国际知名的大学，如Cambridge、Stanford、Oxford、California等。 Proteus实验室于20世纪初期引入我国，目前已在国内的100多所大专院校及一些企业获得使用，国内著名大学如清华大学、上海交大、中山大学、华南理工等。通过对我
24、国企业及大专院校用户的使用情况调查分析可知，企业用户普遍反映Proteus实验室能够非常明显降低产品的开发时间并降低开发成本；大专院校用户普遍反映Proteus实验室能够明显提高学生的综合设计能力及创新开发能力，同时也极大地提高了毕业学生适应工作岗位的能力。值得一提的是，已经建立Proteus实验室的学校，其学生在全国大学生电子设计竞赛中成绩明显，这也从一个方面反映了Proteus实验室的建设对于提高学生的实际动手能力、综合设计能力、创新能力具有非常明显的作用。6.附录1 Proteus实验室用户名单7.附录2 Proteus软件和EDA的关系EDA技术发展历程可将EDA技术分为三个阶段：七十
25、年代为CAD阶段（即：计算机辅助设计），这一阶段人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑和PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。八十年代为CAE阶段（即：计算机辅助工程），和CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。九十年代为ESDA阶段（即电子系统设计自动化）。尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高
26、，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA即电子系统设计自动化。EDA设计方法物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电手工程师并没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。电路级设计电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替
27、了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。系统级设计： 自顶向下设计方法10年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路自底向上（Bottom-Up）地构造出一个新的系统，这样的设计方法就如同一砖一瓦地建造金字塔，不仅效率低、成本高而且还容易出错。高层次设计给我们提供了一种自顶向下（Top-Down）的全新的设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专
28、用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。ASIC设计ASIC（Application Specific Integrated Circuits）芯片芯片进行设计。ASIC按照设计方法的不同可分为：全定制ASIC，半定制ASIC，可编程ASIC（也称为可编程逻辑器件）可编程逻辑芯片和上述掩膜ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验 室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参和，大大缩短了开发周期。可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了PAL、GAL
29、、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中 CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩膜ASIC集成度高的 优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的转由掩膜ASIC实现，因此开发风 险也大为降低。上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。通过以上EDA的发展历程我们可以看到，Proteus仿真软件实际上也是一种EDA工具，但其设计是自顶向下的设计方法，即系统级的设计方法，同时其内置的协同仿真器（MCU仿真器+SPICE电路仿真器+数字电路仿真器）是其他EDA工具所不具备的（SPICE电路仿真器+数字电路仿真器）。8.附录3 Proteus实验室和现有各类实验箱的关系经常有用户问这样的问题，我们已经建立了电子类各种实验室，此时如果重新建设Proteus实验室，是否会导致重复建设的问题，或导致以前的实验设备浪费，回答是否的，原因在于，我们可以在设计Proteus实验室的内容时使得其和原有的实验箱中的线路板一样，这样我们就可以利用原有的实验设备作为Proteus实验室的设计的验证工具。
