Proteus在《微机原理》课程教学中作用

1、郑州科技学院 微型计算机原理课程设计题 目 Proteus在微机原理 课程教学中的应用 所填内容为黑体3号课程教学中的应用学生姓名 郭 佳 豪 专业班级 计算机科学与技术一班 学 号 201115005 院 （系） 信息工程学院 指导教师 王 清 珍 完成时间 2013年12月13日 目 录一、课程设计的目的1二、Proteus简介11、Proteus仿真软件介绍12、Proteus仿真软件功能1三、传统微机原理教学与Proteus仿真软件在教学中的方法和不足 51、传统微机原理教学52、Proteus在教学中的应用7四、设计方案与论证 91、Proteus仿真软件在微机原理教学的教学实例1

2、92、Proteus 仿真软件在微机原理教学中的应用实例211五、结束语 14六、参考文献 15附录 1： 16附录 2： 17一、课程设计的目的微机原理的这门课程相对专业性理论的要求比较高，它的实际操作性也非常强。然而在实际的教学过程中，基本都是以课堂理论讲述为主，而忽略了实际实验操作，这样就让学生感觉到课程的枯燥乏味，并且理论只是口头论述，只能讲解表面的知识，无法让学生做到更深入的了解。因此，要解决以上的这些问题则成了我们首先要研究的问题。Proteus软件是英国Lab center electronics公司出版的EDA工具软件，是目前应用最广泛的教学仿真软件之一，也是目前为止最为先进的

3、仿真教学平台。所以，在教学过程中运用 Proteus软件，可以增强学生的思维活跃性，利用这款软件的仿真性能，让整个教学过程更加生动、形象，让学生更加深入的了解所学知识，从而让这款软件起到更加积极的作用。二、Proteus简介1、Proteus仿真软件介绍Proteus是由英国Lab center公司开发的嵌入式系统仿真及开发平台，Proteus软件系统一般是由ARES 与ISIS组成，ISIS是实现混合电路仿真功能的关键所在，它不但可以让虚拟仪器、单片机仿真、高级图表跟第三方程序形成调试环境相结合，而且还可以让电路分析、图纸设计等工作完成在硬件模型之前。2、Proteus仿真软件功能 2.1

4、Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能。这些功能是：(1)原理布图(2)PCB自动或人工布线(3)SPICE电路仿真 2.2革命性的特点 (1)互动的电路仿真：用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 (2)仿真处理器及其外围电路：可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。2.3具有4大功能模块(1)智能原理图设计(ISIS)丰富

5、的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。(2)完善的电路仿真功能(Pros ice)Pros ICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Lab center也在不断地

6、发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav.文件)、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能(ASF)：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，

7、包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM) 支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、Basic Stamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)还可以使仿

8、真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真：支持UART/USART/Ersatz仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境(如IAR、Kiel和Hi-tech)结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。(4)实用的PCB设计平台原理图到PCB的快速通道： 原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局;支

9、持无网格自动布线或人工布线;支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层(含板边)，灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览；多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转(如portal)和PCB板的设计和加工。2.4 Proteus提供了丰富的资源(1)Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。(2)Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C

10、调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。(3)除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。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。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。(4) Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。2.5电路功能仿真在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PRO

11、TEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。三、传统微机原理教学与Proteus仿真软件在教学中的方法和不足1、传统微机原理教学1.1传统微机原理教学方法微机原理教学课程本身的教学内容具有一定的难度性，涉及到的知识也是非常广泛的，在教学过程的讲述也是比较抽象的，并且不容易做到有效的实际演示，这样一来学生吸收教学知识的能力大大降低，从而严重影响教学质量。像一些稍微复杂一些的电路知识，如果只是通过画图的办法不但消耗时间并且浪费精力，如果用PPT的形式进行教学演示，对于整个教学内容来说也只是一个模糊的概述，类似这样的软件实际教学效率非常有限。在传统的教学实例演示过程中，学生接受的只是一些枯燥千篇

12、一律的内容，所以不能调动学生对知识的求知欲望。这样的情况主要是体现在以下几个方面：第一，让学生把实验所需的电路都链接好，并固定芯片，对于这样的实验只要按照步骤一步一步进行即可，无法让学生自主的对其进行设计，这样导致学生的学习积极性下降。第二，受到传统教学实验的约束，因为实验工具数量是有限的，并且实验内容也是固定不变的，这样以来就很随着科技的进步而发展，导致学生的思想不能随科技进步而进步，并缺乏创新能力。第三，实验箱不但非常容易就会受到损坏，而且价格也是非常的昂贵，导致，试验箱只能存在于一些专业的教学实验室，如果学生想自由的进行一些创新性的实验或者设计基本上是不可能实现的。1.2传统微机原理教学

13、存在的不足在课堂教学中,由于微机原理课程涉及的知识面广 、内容难度大,实例讲解也比较抽象。没有有效的演示方法，学生听讲时难以接受和理解。通常对于复杂的电路，用板书画图耗时费力，用PPT演示时大电路无法清晰的显示全，教学效率低。另外，实例都比较枯燥，学生提不起学习的兴趣。在实践教学中，传统方法多数是利用硬件实验箱来完成，这存着很多的不足。首先，实验箱上线路基本都已经连接好，芯片已经固定，所以一般实验以验证性为主，学生只能依葫芦画瓢，不能自由灵活地设计实验。影响了学生的积极性：第二，因实验箱的限制，实验个数有限，实验内容比较固定，难以随技术的发展有所更新。学生也很难进行创新设计，拓展应用，创新能力

14、得不到培养；第三，实验箱价格昂贵，容易损坏；最后，实验箱只有专业实验室才有，如果有学生在课余时间进行实验或创新设计就比较困难。2、Proteus在教学中的应用2.1 Proteus在微机原理教学中的应用 就目前情况来看，在微机原理的教学过程中，很多学校已经引进并使用了Proteus仿真软件。Proteus软件不但可以提供对中央处理器以及内存等芯片的支持，还可以提供示波器、信号发生器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、模式发生器、交直流电压表等一系列虚拟，它不但是全开放性的教学仿真平台，也是实验设备种类齐全且高效率的教学实验室。教学是利用Proteus仿真软件教学不但可以提高教学效率与质量，而

15、且学生也可以培养创新意识并提高消化知识的能力。现有的单片机实验教学环节通常包括2个部分：课内实验和课程设计。所有这些实验都是在实验箱上完成的。由于硬件实验箱的结构固定，资源有限，学生在做实验时无法将所学的知识融会贯通。所以到课程设计阶段，很多学生无法完成综合性实验。采用Proteus软件仿真可以弥补硬件实验的不足。基于Proteus的实验可以分为以下3个阶段逐步完成。 (1)验证阶段。主要让学生熟悉Proteus与Kiel软件环境，使学生对单片机虚拟系统仿真有感性认识。实验指导书给出实验任务与要求、Proteus实验原理图、实验操作步骤、多媒体课件、程序流程图及程序源代码等。学生根据实验步骤或

16、实验操作录像进行实验操作、实验调试，并观察程序运行结果。 (2)设计阶段。主要培养学生用Proteus绘制系统原理图，以及用Kiel进行源程序设计的能力。实验指导书给出实验任务与要求、实验原理图。学生根据实验原理图用Proteus绘制硬件电路图，按照实验要求设计程序，在Kiel环境编写源代码，调试成功，加载程序到Proteus硬件图仿真。仿真成功后按照实验原理图在实验箱上搭建硬件电路，加载程序，观察实验现象，并与仿真结果相比较。 (3)综合阶段。主要激发学生学习兴趣及主观能动性，提高学生创新能力。学生根据实验任务及要求设计硬件电路(包括CPU选型、元器件选型及参数设置、电路连接等)并绘制Pro

17、teus硬件原理图;根据硬件功能模块进行软件设计(包括系统原理框图、程序流程图及源代码编写等)。软硬件设计完成后，进行两者间联调，充分利用Proteus与Kiel的联合仿真功能，及时发现并改正硬件电路或程序源码的错误。系统仿真成功后，再制作实物。2.1.1应用在理论教学Proteus可以提供全面的动态教学演示，从而让枯燥乏味的课堂理论讲述变的更为直观、生动，有为有趣这样可以让学生所学的内容充分吸收。计算的语言程序以及存储方式都是作为微机原理的重要部分，所以，如何提高学生的学生兴趣与学习欲望也是非常严重的，Proteus仿真教学软件责完全可以做到。2.1.2应用在实践的教学在实际的教学过程当中，

18、应用软件不但可以成为一个实验室，而且还有以下特点：第一，不需要实际的芯片跟电路板，也不需要实际的线路焊接工具，不但操作方面简单，还可以方便的进行调试，而且可以直观实验结果。与此同时，学生可以通过较为方便的实验总结经验。第二，由于较好的开放性，可以随时通过安装了Proteus仿真软件的计算机上， 随时进行教学当中所规定的实验课程，并且每个学生一台电脑，可以单独完成实验，在整个教学过程中可不但以让学生的思维能力得到进一步的提高，而且也提高了学生的学习兴趣，还可以让所学知识进步的吸收。第三，因为Proteus仿真软件的强大功能，所以实际的实验内容是非常广泛且丰富的。教师可以让学生的做一些更为丰富切有

19、趣的实验，这样可以让学生学到的知识充分的应用到课堂实验之中，并得到相应的实验结果，并激发学生的钻研求知欲望。2.2 Proteus在微机原理教学所存在的不足Proteus在计算机硬件教学课程本身的教学内容具有一定的难度性，涉及到的知识也是非常广泛的，在教学过程的讲述也是比较抽象的，并且不容易做到有效的实际演示，这样一来学生吸收教学知识的能力大大降低，从而严重影响教学质量。像一些稍微复杂一些的电路知识，如果只是通过画图的办法不但消耗时间并且浪费精力，如果用口头讲授或PPT的形式进行教学演示，对于整个教学逻辑的表达是有一定的难度的，对内容来说也只是一个模糊的概述，类似这样的软件实际教学效率非常有限

20、。Proteus仿真软件在虚拟现实硬件线路操作，测试硬件方面有很好的实用和便利之处，并很好地解决了部分硬件花费问题。四、设计方案与论证1、Proteus仿真软件在微机原理教学的教学实例1下面以基于Proteus的8086和8255A的接口扩展电路仿真为例，阐述Proteus软件仿真在“微机原理”课程教学中的应用方法和仿真过程。可设计下面的例子： 某PC系列微机系统用8255A作为接口，由PA口采集一组开关S0-S7的状态，然后由PB口输出的信号给一组发光二极管LED0-LED7显示。要求Si闭合时对应的LED i亮；Si断开时，对应的LED i熄灭；并用PC7驱动一个发光二极管作为8255A正

21、常工作的指示（用位置/复位控制字实现）。设PA口地址为88H，使用138译码器完成电路设计，并编写程序。Proteus仿真电路的设计见附录1图3-1；Proteus仿真电路的调试及结果：打开Emu8086软件，新建com文件，输入以下代码：ORG 100HPORTA EQU 88H；A口PORTB EQU 8AH；B口PORTC EQU 8CH；C口CONTROL EQU 8EH; 控制口START: MOV DX, CONRROLMOV VAL,10010000B ;工作方式设置OUT DX, ALMAIN: MOV DX, PORTAIN AL,DX ;读A口（读按键信息）MOV DX,

22、PORTBOUT DX,AL ;写B口（送LED显示）MOV DX, CONTROLMOV AL, 00001111BOUT DX,AL ;位置PC7位CALL DelayJMP MAINDelay: MOV CX,1000 ;延时子程序 D1: NOP LOOP D1 RET HLT RET 上述代码编译生成com文件后，在Proteus软件界面中双击8086器件，把生成的该com文件添加给8086。运行后，会出现图2所示的结果。改变开关状态，相应的LED会出现对应的亮灭状态，实现了例子的设计要求。仿真结果图见附录1图3-2。2、Proteus 仿真软件在微机原理教学中的应用实例2 近年来，

23、一些学校的老师开始在教学过程中引入仿真软件 Proteus 软件是英国 Lab center 公司开发的一款仿真平台。可以进行实物仿真和印制电路板设计。Proteus软件可以对8086CPU及相关接口芯片提供支持，还提供了示波器、信号发生器等虚拟仪表。支持汇编语言是一个全开放性的仿真实验平台相当于一个设备齐全的综合性实验室 借助 Proteus可以辅助教师的教学.对学生进行实验、课程设计、毕业设计等都有很大的帮助(1)在理论教学中的应用在微机原理课堂教学中可以用 Proteus 仿真软件进行实例演示，抽象、乏味的理论教学变得直观、生动、易于学生理解和掌握。下面以 D A C0832 芯片为例，

24、介绍 Proteus 仿真软件在课堂教学中的应用。D A C0832 芯片是 CM OS 工艺制成的 8 位双缓冲型D /A转换器。可以将8位的数字量转换成模拟量，通过编程可以输出三波、方波等。在教学过程中，首先在Proteus 的原理图编辑窗 口中搭建仿真电路，如图3 所示，该电路中采用了 8086CPU 、D A C0832 示波器 、1458两级运算放大器等等，输出为双极性电压。然后讲解电路的工作原理 重点是译码电路及 D A C0832 芯片的功能和应用。接下来分析输出模拟三角波的算法 ，编写相应的汇编语言程序。主要程序如下：L 1：MOV CX ， 256 ；256 个数字量MOV

25、AL， 0； 初值MOV DX， 400 H ；400 H 为 0832 的端口地址L2 ：OUT DX， AL ；三角波形上升段CALL DELAY ；调用延时子程序INC ALLOOP L2MOV CX，256MOV AL，255 ；初值MOV DX，400HL3： OUT DX，AL ； 三角波形下 降段CALL DELAYDEC ALL0OP L3JMP L1 DAC0832电路原理图见附录2图3-3；三角波见附录2图3-4。最后利用外部编译器对程序进行编译，运行仿真后，模拟示器可以观察到输 出的三角波，输出在一5V +5V 之间变化，如图 4 所示。用投影仪将该实例进行演示，学生直接观察到结果，大大激发他们的学习兴趣。教学时，还可以更改部分程序段，对本实例进行拓展应用。比如编程实现输出反向锯齿波，主要程序段如下：MOV AL， 0 ；初 值MOV DX， 400H ；400H为0832的端口地址LI：OUT DX，ALCALL DELAYINC ALJMP L1上段程序中，把“INCAL”改成“DEC AL”,输出波形为正向锯齿波。课后，可以布置相关的作业，例如要求学生更改部分电路和程序。输出0V +5V的波形，或者实现波形的切换等。通过课堂分析讲解和课后作业。学生对DAC0832性能及编程更加理解，而且印象深刻。五、总结在整个