電子類學科專業Proteus實驗室的建設
匡載華1 鄧小鵬2
（1．風標電子科技有限公司 2.清華大學計算機系）
關鍵字：Proteus實驗室；建設；框架；虛擬實驗室
中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：
The construction of Proteus laboratory for electronic subject
KUANG Zai-Hua1 DENG Xiao-Peng2
(1.Windway electronic technology limited company, Guangdong 510630, China; 2. Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084)
Abstract：The construction of laboratory is the basic way on the reform of experiment teaching systems and experiment teaching contents. By analyzing the defects of the existing electronic subject laboratory and the requirements of Proteus virtual laboratory, the paper illuminates that it is the good way to choice Proteus laboratory as electronic subject laboratory in order to construct open laboratory, innovative laboratory, advanced laboratory and manageable laboratory. The framework of Proteus laboratory is also discussed.
Key Words：Proteus laboratory；framework；construction；virtual laboratory
1 引言
隨著電子技術的不斷發展, 電子類課程在高教中的地位日趨重要。而作為該類課程教學重要組成部分的實驗教學，也越來越受到了人們的重視。它對於提高教學質量，培養學生的實際動手能力及創新思維能力具有無可比擬的作用。長期以來，高教研究者、工作者一直為此探索，並希望找到一個行之有效的方法。為此，人們藉助現有的電子技術手段，建立了多種門類的實驗平台（如電路分析實驗室、模擬電子線路實驗室、數字電路實驗室、信號與系統實驗室等），並在此平台上開設了相應的實驗課程。儘管如此，這些措施並未達到預期的效果。特別是在電子技術高速發展的今天，這些方法及手段已經顯得不再適宜，建立一套新的實驗手段及方法已成為高教研究者、工作者的共識。
2 現有實驗室存在的問題
目前，現有的電子類實驗室大多存在以下問題：
1）不利於管理及維護。
現有電子類實驗室種類多、如電路實驗室、電子線路實驗室、數字電路實驗室、單片機實驗室、微機原理實驗室、ARM實驗室（或嵌入式系統實驗室）、信號系統實驗室、數位訊號處理實驗室等；在每一類實驗室中，設備種類多、數量大（如，各類信號源設備、各類測試儀器儀表、各種實驗箱等）。種類繁多的設備，加上分批進行的學生實驗，對於有限的師資力量而言，有效的管理及維護無疑成為十分艱巨的任務。
2）不利於保持實驗室的先進性，也不利於保護前期的投資
由於現代電子技術的飛速發展，各種新設備、新器件層出不窮，這就往往造成這樣一種現狀，某一種實驗設備可能剛到用戶的手中就面臨落後的，就更不用說在2-3年後被淘汰是多么的正常。因此，基於硬體設備手段建立的實驗室面臨著隨時可能落後的現狀，要想保護其前期投資更是難上加難。
3）不利於提高實驗效果。
現有電子類實驗室大多採取一種封閉式的實驗教學模式，即在規定的課時時間內，學生在規定的場地內，進行規定的實驗內容（由於實驗設備能力的限制造成），這種封閉式的實驗教學模式，一方面由於時間及場地的限制，往往造成學生不能有充夠的時間深入了解及研究實驗的內容，學生對實驗的興趣也被這些限制所扼殺。另一方面，固定式的驗證實驗內容也限制了學生的思維空間，扼殺了學生創新思維能力的培養。因此，其實驗效果很難提高，這種做法實際上背離了現代實驗教學改革中提出的“最佳化課內，強化課外”的實驗教學意識。
4）實驗內容彼此孤立，不利於培養學生“從概念到產品“認識的形成。
現有的各種電子類教學實驗，基本是進行固定程式的驗證式實驗，實驗所用的元器件，線路板已選好，學生所做的工作僅是對實驗箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立學生的相應概念而已。很難滿足現代實驗教學改革提出的三個實驗層次即“基礎性實驗、綜合性實驗、創新性實驗”的目標，目前的實驗平台不能滿足這樣的訓練，即：學生從有一個概念（或想法）開始，然後著手電路原理圖的設計、編寫程式代碼、調試、PCB設計，最後形成產品的整個開發過程的訓練。學生通過傳統實驗手段所得到的訓練是片面的、局部的，其對產品開發過程的認識並不深刻，這也是導致學生所學不能所用的根本原因所在。
5）不利於開展創新性研究。
開展創新性研究的前提是實驗環境的豐富資源及其靈活可變性。但目前基於硬體的實驗平台往往採取一種定式的實驗或研究環境，即教師只能在有限的幾種器件或線路實驗板之上進行實驗內容的設定或研究，學生也同樣如此，這對於開展創新性研究極為不利。
6）不利於培養學生的實驗興趣及創新思維能力。
學生對某一課程實驗的興趣往往需要一段較長時間的培養才能產生，但現有的課程實驗由於場地不能隨時、隨地對學生開放，並且開放的時間也非常有限，這就不能激發學生的實驗興趣，另外其創新思維能力的培養也受到同樣的限制。
3 PROTEUS實驗室建設的必要性
3.1 PROTEUS實驗室概念
利用計算機仿真技術，在計算機網路平台上，學習電路分析、模擬電路、數字電路、嵌入式系統（單片機套用系統、ARM套用系統）、微機原理與接口技術等課程，並進行電路設計、仿真、調試等通常在相應實驗室完成的實驗。一個計算機網路硬體平台（或一台計算機）、一套電子仿真軟體，再加上一本虛擬實驗教程，就可相當於一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，即為虛擬實驗室的本質。
Proteus實驗室採用Proteus仿真軟體和相應的硬體平台構成一個從虛擬到實際，從軟體到硬體，從概念到產品的全過程設計的多功能實驗平台。它主要用於電路分析、模擬電路、數字電路、嵌入式系統（單片機套用系統、ARM套用系統）等課程的實驗、研究等。
3.2 PROTEUS仿真軟體簡介
Proteus是一種功能強大的電子設計自動化軟體，提供智慧型原理圖設計系統、SPICE模擬電路、數字電路及MCU器件混合仿真系統和PCB設計系統功能。其不僅可以仿真傳統的電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，其最大的特色在於可以提供嵌入式系統（單片機套用系統、ARM套用系統）的仿真實驗，這也是其它任何仿真軟體無力所及的。例如，其支持單片機和周邊設備，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，並提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。在編譯方面，它也支持Keil和MPLAB等多種編譯器。
3.3 PROTEUS實驗室的優點
Proteus實驗室的主要優點總結如下：
1）多功能型實驗室
其不僅可以仿真電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數字電路實驗，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，其最大的特色在於可以提供嵌入式系統（單片機套用系統、ARM套用系統）的仿真實驗，因此，它完全可以稱之為一個多功能的實驗平台。
2）開放型實驗室
由於其硬體是基於網路平台的，如一個單位內的區域網路、或企業網、或校園網（或單機板，基於一台PC）或Internet用戶。因此其實驗用戶可以不受傳統實驗室的時間、空間、及實驗內容的限制。用戶可以跨越時間、空間及實驗內容的約束，盡情釋放自己的實驗興趣及創新思維；此外，這也使得設備的利用率得到最大的發揮。
3）先進型實驗室
由於Proteus實驗室主要由其Proteus仿真軟體實現，其內置：
①萬種以上的元器件（數字的、模擬的、交流的和直流的）及多達30多個元件庫；
②多種現實存在的虛擬儀器儀表，如示波器、頻譜分析儀，電壓表、電流表、圖表分析、邏輯分析儀、虛擬終端等。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，可儘可能減少儀器對測量結果的影響。
③豐富的測試信號源用於電路的測試，這些測試信號包括模擬信號和數位訊號。
④先進的混合仿真系統（SPICE電路仿真器+數字仿真器+MCU仿真器）。這是一個組合了SPICE3F5模擬仿真器核、基於快速事件驅動的數字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系統，SPICE的使用使得您能夠採用數目眾多的製造商提供的SPICE模型，目前該軟體包含了6000多個模型。
這些先進的內置配備，使得其能夠成為先進的實驗室。
另外，軟體還許可用戶自己定製器件模型，英國Labcenter公司也能夠為用戶製作，除此之外，軟體的不斷升級也可保證其器件模型同當今世界的電子技術發展同步，以上所有這些均極大地保證了實驗室的先進性，並可在相當長的時間內保持其先進性。
4）創新型實驗室
Proteus仿真軟體內置的豐富資源為進行創新型實驗研究奠定了基礎。其儀器儀表、信號源、元器件、器件模型一應俱全，教師可以在此開展創新實驗內容的研究，設計創新實驗內容，學生也可以在這裡開展除規定實驗內容之外的個性化實驗研究、創新開發研究。在這裡沒有時間限制、沒有空間的限制、沒有元器件及線路板的限制，人們可以展開自己想像的翅膀，盡情飛翔在創新的空間之中。
5）易管理、維護型實驗室
由於其核心為Proteus仿真軟體，因此，其實驗是無損耗的，其管理、維護也就是用戶帳戶的管理、軟體的安裝及更新而已，這極大地降低了教師的設備管理工作量，使得教師可以有更多的精力投入到實驗內容的創新研究之中出。
6）低投入、高回報型實驗室
同傳統實驗室建設相比，Proteus實驗室建設可以稱之為低投入、高回報型實驗室。用戶只需建立相應的計算機網路平台（也可使用已有的計算機網路平台），外加購買一套Proteus網路板軟體，少量的實驗驗證板即可而已。實驗室的維護費用幾乎為零，同時，建立這樣的實驗室一個卻可以同時起到多個實驗室的功效（如電路分析實驗室、模擬電路實驗室、數字電路實驗室、嵌入式系統實驗室（單片機套用系統、ARM套用系統）、微機原理與接口技術實驗室等）。
4 PROTEUS實驗室架構
4.1 平台架構
基於Proteus仿真軟體的實驗平台架構如下圖所示：
圖-1 Proteus實驗室平台架構
在上圖中，Proteus實驗室物理上位於其校園網內部的某一個區域網路上，該區域網路上的伺服器上安裝Proteus伺服器端軟體，作業系統為Windows2000 server 或Windows2003 server，客戶端PC上安裝Proteus客戶端軟體，作業系統為Windows2000 professional或Windows2003 professional.另外，需配置少量的設計驗證系統硬體，以增加學生的感官認知。
4.2 資源架構
Proteus實驗室資源架構主要由：Proteus仿真軟體三大子系統+少量的設計驗證硬體組成，其構成如下圖-2所示
圖-2 Proteus實驗室資源架構示意圖
在上圖中，Proteus仿真軟體三大子系統分別為：智慧型原理圖設計子系統（ISIS：Intelligent Schematic Input System），混合式仿真子系統（SPICE電路仿真器+數字電路器+MCU仿真器），PCB設計子系統（ARES：Advanced Routing and Editing System）,其各個子系統中所包含的模組見上圖-2所列，在此不在詳述。
4.3 實驗內容架構
基於Proteus實驗室的實驗內容架構如下圖-3所示：
圖-3 Proteus實驗室的實驗內容架構
上圖中，給出了Proteus實驗室可以開展的實驗層次以及每一實驗層次可以進行的實驗內容。其實驗層次可分為三個層次：1）基礎實驗層；2）綜合實驗層；3）創新實驗層。基礎實驗層的實驗以培養學生操作能力為主；綜合實驗層的實驗以培養學生綜合性設計能力為主；創新實驗層的實驗以培養學生創新思維設計能力為主。在每一層次，均可以開展電路分析課程、模擬電子線路課程、數字電子課程、嵌入式系統課程及微機原理及接口技術課程的相應內容實驗。以嵌入式系統課程為例，在基礎實驗層，可以進行嵌入式系統課程中規定的基本實驗的仿真設計及設計驗證；如仿真51系列、AVR、PIC、Motorola的68HC11系列等常用的MCU套用系統的仿真設計及驗證；在綜合實驗層，教師可以針對某一類型的MCU，如51系列MCU，給定一個綜合實驗（課程設計、實驗）的題目，學生按照設定題目內容開展電路圖設計、代碼的編寫、仿真調試、PCB設計、製作PCB、驗證PCB設計等過程進行。在創新型實驗或研究中，教師、學生可以按照自己的想法或興趣進行相應的設計或研究。
4.4 Proteus實驗室架構的優點
通過以上架構，Proteus實驗室具有以下優點:
1）可以實現實驗教學系統改革的目標
通過Proteus實驗室的構建，使得電子類實驗教學系統發生根本性的改變，其具體變化如下：
⊙多功能型實驗室目標
在Proteus實驗室平台上，不僅可以仿真電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數字電路實驗，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，其最大的特色在於可以提供嵌入式系統（單片機套用系統、ARM套用系統）的仿真實驗，因此，它完全可以稱之為一個多功能的實驗平台。
⊙開放型實驗室目標
由於其硬體是基於網路平台的，如一個單位內的區域網路、或企業網、或校園網（或單機板，基於一台PC）或Internet用戶。因此其實驗用戶可以不受傳統實驗室的時間、空間、及實驗內容的限制。用戶可以跨越時間、空間及實驗內容的約束，盡情釋放自己的實驗興趣及創新思維；
⊙先進型實驗室目標
Proteus實驗室內置的豐富、先進資源，使得其能夠成為先進的實驗室。另外，軟體還許可用戶自己定製器件模型，英國Labcenter公司也能夠為用戶製作，除此之外，軟體的不斷升級也可保證其器件模型同當今世界的電子技術發展同步，以上所有這些均極大地保證了實驗室的先進性，並可在相當長的時間內其先進性。
⊙創新型實驗室目標
Proteus仿真軟體內置的豐富資源為進行創新型實驗研究奠定了基礎。其儀器儀表、信號源、元器件、器件模型一應俱全，教師可以在此開展創新實驗內容的研究，設計創新實驗內容，學生也可以在這裡開展除規定實驗內容之外的個性化實驗研究、創新開發研究。在這裡沒有時間限制、沒有空間的限制、沒有元器件及線路板的限制。
⊙易管理、維護型實驗室目標
由於其核心為Proteus仿真軟體，因此，其實驗是無損耗的，其管理、維護也就是用戶帳戶的管理、軟體的安裝及更新而已，這極大地降低了管理教師的工作量，使得教師可以有更多的精力投入到實驗內容的創新研究之中出。
2）實現實驗教學內容改革的目標
通過Proteus實驗室的建設及配套措施的實現，可以實現實驗教學內容改革。其具體改革內容如下：
⊙制定新的實驗教學大綱；
⊙編寫新的實驗教材和實驗指導書；
⊙更新傳統的基礎型實驗
⊙開設綜合型實驗
⊙開設創新型實驗
3）實現個性化培養目標
由於本系統採用虛擬軟體和實物驗證相結合的實驗室模式，實驗內容更加靈活，可根據不同學校的具體培養目標合理設定實驗內容。
⊙對於以培養學生操作能力的院校，實驗內容的設定可側重於第一層次的實驗即：基礎性實驗；
⊙對於以培養學生綜合性能力的院校，實驗內容的設定可側重於側重於第二層次的實驗即：綜合性實驗；
⊙對於以培養學生創新性能力的院校，實驗內容的設定則可側重於側重於第三層次的實驗即：創新性實驗；
4.5 基於Proteus實驗室的實驗實例
本文以一個綜合實驗設計為例，說明基於Proteus實驗室的綜合型實驗設計。
圖-4給出了一個具體的MCS-51套用系統實驗設計示例。
圖-4 一個MCS-51套用系統綜合實驗設計示意
在上述實驗中，它實際上是一個簡單8051單片機套用系統的設計，這樣的實驗可以認為是單片機課程實驗的一個綜合實驗。在這一實驗過程中，學生一方面需掌握8051單片機的內部、外部資源情況，利用其外部匯流排實現對顯示器件LCD的數據寫入；另一方面還需掌握外部器件LCD、373鎖存器、與非門等的使用方法；另外，學生還需熟悉8051單片機的指令系統及編程方法。此外，通過電路原理圖的設計、編程、調試、PCB設計及軟硬體的設計驗證，可以加深學生從概念到產品的設計全過程的認知。
5 PROTEUS實驗室使用效果分析
Proteus實驗室起步於90年代初期，在短短十幾年的時間內，就得到了快速的發展。目前其用戶已遍布世界各地，這其中既有國際知名的企業，如ST、Motorola、Sony、Philips等，也有國際知名的大學，如Cambridge、Stanford、Oxford、California等。 Proteus實驗室於20世紀初期引入我國，目前已在國內的100多所大專院校及一些企業獲得使用，國內著名大學如清華大學、上海交大、中山大學、華南理工等。通過對我國企業及大專院校用戶的使用情況調查分析可知，企業用戶普遍反映Proteus實驗室能夠非常明顯降低產品的開發時間並降低開發成本；大專院校用戶普遍反映Proteus實驗室能夠明顯提高學生的綜合設計能力及創新開發能力，同時也極大地提高了畢業學生適應工作崗位的能力。這可以從這樣一個側面得到反映，已經建立Proteus實驗室的學校，其學生均在在全國大學生電子設計競賽中獲得較好的成績，這從一個方面反映了Proteus實驗室的建設對於提高學生的實際動手能力、綜合設計能力、創新能力具有非常明顯的作用。
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