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【摘要】针对智能仪器仪表设计中硬件成本高、开发周期长的特点，提出在课程教学中采用Proteus 仿真软件进行仪器系统设计的仿真教学思路，它相比实际硬件制板的开发效率大为提高，也不受实验箱硬件资源、结构和功能的限制，帮助学生很快实现从理论概念到真实仪器的突破。教学实践表明，使用Proteus 仿真软件进行仪器系统设计可使教学效果大为提高。
【关键词】Proteus 仿真 仪器设计 元器件
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）11-0222-02
智能仪器仪表课程是一门涉及多个学科门类、综合性、实践性很强的课程[1，2]。学生必须亲自动手设计硬件电路、编制软件程序，经过反复调试才能达到良好的教学效果，这一过程不仅周期较长，而且仪器系统硬件投入成本较大；同时对于初学者来说很难保证硬件设计和软件设计的正确性，出现问题后很难确定故障来源，这给仪器的调试带来困难。“工欲善其事，必先利其器”，如能使用软硬件一体化的仿真软件进行仪器的仿真设计，验证设计的正确性不仅能收到事倍功半的效果，同时硬件成本也大为降低。Proteus作为目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，在智能化仪器仪表课程的硬件设计中可以大有作为，它使学生在这一环境中可以随心所欲地设计自己的仪器，不受物理器件的限制；同时，利用针对51系列兼容单片机的C语言软件集成开发环境Keil C μVersion，可以开发仪器程序；二款软件有机配合，使本门课程达到在学中做、做中学、边学边做、边做边学的目的，可以收到立竿见影的教学效果，培养了学生的学习兴趣。
1.软件介绍
Proteus是一款电路仿真软件，它由英国Labcenter Electronics公司开发，能够实时仿真包括单片机、ARM在内的多种微处理器系统，是目前世界上比较先进和完整的嵌入式系统硬件和软件仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具之一。Proteus软件由两部分组成：一部分是智能原理图输入系统ISIS（Intelligent Schematic Input System）和虚拟模型系统VSM（Virtual Model System）；另一部分是高级布线及编辑软件ARES（Advanced？ Routing and Editing Software），用于设计印刷线路板（PCB）。
Proteus支持第三方的软件编译和调试环境，比较常用的是Keil C51 uVision 开发软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的针对51系列兼容单片机的C语言软件开发系统，其集成开发环境Keil C μVersion的版本不断更新，现在使用较普遍的是Keil C μVision4软件，它支持众多不同公司的微处理器芯片，集编辑、编译和程序仿真于一体，同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计，它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面具有很好的功能。
Proteus软件用于构建智能化仪器仪表的硬件环境[3]，Keil软件主要用于构建软件环境，二者经过有机配合，可以进行仪器系统的软硬件设计和联合调试，这样就可以构建一个智能化仪器仪表的虚拟开发平台，验证软硬件设计方案的正确性，使仪器研发取得事半功倍的效果。
2.Proteus软件仿真的的优势
在智能化仪器仪表课程中实验教学环节包含单片机的串口通信、外部中断、并行口、A/D和D/A转换等方面的内容，需要扩展外围驱动电路、功能芯片和终端设备如LED、LCD、蜂鸣器等才能组成仪器系统。如果初学者开始就加工制板，会带来一系列问题，首先电路板加工完后，具有不可逆性，功能固定，很难重复利用；二是器件焊接后难以拆取，不便于更换；三是电路设计的正确性难以保证，不能方便更改设计方案。这些不仅增加了硬件成本，而且开发周期较长，学生的收获也会事倍功半。如果利用实验箱进行教学，在不考虑其价格的情况下，由于硬件实验箱资源、结构、功能都已固定，学生在做实验时虽然可以直观的看到一些物理元器件，并动手进行端子连接、操作按钮等实践活动，但对仪器系统的接口电路设计很难有全面的概念，无法将所学的知识融会贯通，不会实现从理论到实践的突破[4，5]。采用Proteus 软件仿真给初学者进行硬件设计带来了极大方便，首先设计方案可以随时改变，元器件可以随意更换，不受固定板子的限制，可以反复纠正错误、改进设计方案，没有硬件成本的顾虑；二是整个仪器的设计过程都需要学生自己规划方案、选择器件、进行接口连接，很容易帮助帮助学生建立起整体系统的概念，达到融会贯通的目的；三是不同仪器的电路有共性特征，可以把已有的设计方便的改造成其它仪器；最后Proteus 提供了丰富的仿真工具，包括探针、多种激励源、可视化显示器件等，具备硬件实验箱所没有的功能，给学生进行仪器设计提供了便利手段。
3.仿真仪器设计实例
下面通过四通道数据采集器设计实例说明利用Proteus设计仪器的过程。
3.1功能要求
（1）采用四路16位高精度ADC芯片ADS7825完成对四路模拟量信号的采集，模拟电压信号采用电位器进行模拟，输入电压范围0～10.24V。
（2）采用Proteus中的字符点阵液晶显示器LM044L作为输出器件，分行显示各通道的采集的数据，其格式如图1中LCD所示。
3.2 电路设计
Proteus 在绘制硬件原理图时与DXP、EWB 等类似，都要先从软件包的器件库里选取所需的元器件，然后拖放在绘图区适当的位置，最后编辑元器件的参数，并实现电路连线等步骤。 按照功能要求要求，列出所需的元器件清单，如表1 所示。
根据清单，将元件库中的符号模型添加到对象选择器窗口，在Proteus ISIS工作区绘制原理图并设置如表1中所示各元件参数，完整硬件电路原理图如图1所示。图中电路可分为四个主要部分：AT89C51的复位电路、模拟量输入电路、AT89C51与ADS7825转换器的接口电路和AT89C51与LCD的接口电路。ADS7825与AT89C511单片机的引脚连接关系可由图1看出，通道选择由P3.1和P3.0组合控制，单片机P2口在传送高8位地址的过程中，对ADS7825的控制命令也附加在其间，实现对ADS7825的启动转换以及数据读取等操作。很明显这里ADS7825与MCS-51单片机的连接属于并行存储器扩展连接范畴，按照ADS7825的时序要求及存储器扩展地址确定方法，可以确定转换启动端口、高8位数据读取端口和低8位数据读取端口的地址分别为8FFF、9FFF和BFFF。
3.3软件设计
在软件设计中，通过查询方式读取ADS7825 的转换结果，由于转换结果为十六位数据，所以必须分两次来读取转换结果的高8位和低8位数据，然后再将高8位和低8位拼接成16位数据，经过量度变换后输出到LCD上进行显示。
软件分为三个部分：主函数、数据采集函数、LCD显示函数
主函数主要完成液晶显示器的初始化、分通道数据采集及送显示任务，主函数流程如图2（1）所示。
数据采集函数实现不同通道数据的采集任务，首先发出对应通道的P3.1、P3.0输出值，然后发出启动转换命令，AD开始工作后要不断查询转换结束标志，转换结束后分别读取数据的高8位和低8位，并组合成16位数据，接着要进行整型数据到字符串的转换，这样做的目的是为了满足液晶显示器显示字符的需要。该函数流程如图2（2）所示。
LCD显示函数较为简单，主要完成把各通道采集的数据送到LCD对应的行位置显示。
3.4仿真效果
在Keil μVision4下进行程序编辑，将生成的HEX加载到Proteus的单片机中，然后进行仿真运行，调节四个电位器，可以看到液晶显示器上显示各通道数据的变化情况，图1中LCD显示的数字是电位器在某一位置时的A/D转换结果。
4.结论
利用Proteus 仿真软件进行智能仪器仪表的设计不存在硬件材料消耗和元器件质量影响、损坏等问题，所做设计具有重构性，它丰富的器件库和强大的仿真功能可以帮助学生更快、更好地学习、掌握仪器设计的精髓，较快实现从理论抽象到具体仪器跨越，预先看到“真实的仪器”，为学生实践创新能力的培养提供了捷径，对智能仪器仪表课程的教学起到事半功倍的效果。
参考文献：
[1]史键芳. 智能仪器设计基础[M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[2]贾振国. 智能化仪器仪表原理及应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011.
[3]江世明. 基于Proteus的单片机应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
[4]胡景春，叶水生，韩旭等. 计算机科学与技术专业硬件教学实践环节的综合研究与建设[J]. 实验技术与管理， 2010.3：12-14.
[5]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲等. 基于Proteus 的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007.26（12）：：75-78.
【关键词】Proteus 仿真 仪器设计 元器件
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）11-0222-02
智能仪器仪表课程是一门涉及多个学科门类、综合性、实践性很强的课程[1，2]。学生必须亲自动手设计硬件电路、编制软件程序，经过反复调试才能达到良好的教学效果，这一过程不仅周期较长，而且仪器系统硬件投入成本较大；同时对于初学者来说很难保证硬件设计和软件设计的正确性，出现问题后很难确定故障来源，这给仪器的调试带来困难。“工欲善其事，必先利其器”，如能使用软硬件一体化的仿真软件进行仪器的仿真设计，验证设计的正确性不仅能收到事倍功半的效果，同时硬件成本也大为降低。Proteus作为目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，在智能化仪器仪表课程的硬件设计中可以大有作为，它使学生在这一环境中可以随心所欲地设计自己的仪器，不受物理器件的限制；同时，利用针对51系列兼容单片机的C语言软件集成开发环境Keil C μVersion，可以开发仪器程序；二款软件有机配合，使本门课程达到在学中做、做中学、边学边做、边做边学的目的，可以收到立竿见影的教学效果，培养了学生的学习兴趣。
1.软件介绍
Proteus是一款电路仿真软件，它由英国Labcenter Electronics公司开发，能够实时仿真包括单片机、ARM在内的多种微处理器系统，是目前世界上比较先进和完整的嵌入式系统硬件和软件仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具之一。Proteus软件由两部分组成：一部分是智能原理图输入系统ISIS（Intelligent Schematic Input System）和虚拟模型系统VSM（Virtual Model System）；另一部分是高级布线及编辑软件ARES（Advanced？ Routing and Editing Software），用于设计印刷线路板（PCB）。
Proteus支持第三方的软件编译和调试环境，比较常用的是Keil C51 uVision 开发软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的针对51系列兼容单片机的C语言软件开发系统，其集成开发环境Keil C μVersion的版本不断更新，现在使用较普遍的是Keil C μVision4软件，它支持众多不同公司的微处理器芯片，集编辑、编译和程序仿真于一体，同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计，它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面具有很好的功能。
Proteus软件用于构建智能化仪器仪表的硬件环境[3]，Keil软件主要用于构建软件环境，二者经过有机配合，可以进行仪器系统的软硬件设计和联合调试，这样就可以构建一个智能化仪器仪表的虚拟开发平台，验证软硬件设计方案的正确性，使仪器研发取得事半功倍的效果。
2.Proteus软件仿真的的优势
在智能化仪器仪表课程中实验教学环节包含单片机的串口通信、外部中断、并行口、A/D和D/A转换等方面的内容，需要扩展外围驱动电路、功能芯片和终端设备如LED、LCD、蜂鸣器等才能组成仪器系统。如果初学者开始就加工制板，会带来一系列问题，首先电路板加工完后，具有不可逆性，功能固定，很难重复利用；二是器件焊接后难以拆取，不便于更换；三是电路设计的正确性难以保证，不能方便更改设计方案。这些不仅增加了硬件成本，而且开发周期较长，学生的收获也会事倍功半。如果利用实验箱进行教学，在不考虑其价格的情况下，由于硬件实验箱资源、结构、功能都已固定，学生在做实验时虽然可以直观的看到一些物理元器件，并动手进行端子连接、操作按钮等实践活动，但对仪器系统的接口电路设计很难有全面的概念，无法将所学的知识融会贯通，不会实现从理论到实践的突破[4，5]。采用Proteus 软件仿真给初学者进行硬件设计带来了极大方便，首先设计方案可以随时改变，元器件可以随意更换，不受固定板子的限制，可以反复纠正错误、改进设计方案，没有硬件成本的顾虑；二是整个仪器的设计过程都需要学生自己规划方案、选择器件、进行接口连接，很容易帮助帮助学生建立起整体系统的概念，达到融会贯通的目的；三是不同仪器的电路有共性特征，可以把已有的设计方便的改造成其它仪器；最后Proteus 提供了丰富的仿真工具，包括探针、多种激励源、可视化显示器件等，具备硬件实验箱所没有的功能，给学生进行仪器设计提供了便利手段。
3.仿真仪器设计实例
下面通过四通道数据采集器设计实例说明利用Proteus设计仪器的过程。
3.1功能要求
（1）采用四路16位高精度ADC芯片ADS7825完成对四路模拟量信号的采集，模拟电压信号采用电位器进行模拟，输入电压范围0～10.24V。
（2）采用Proteus中的字符点阵液晶显示器LM044L作为输出器件，分行显示各通道的采集的数据，其格式如图1中LCD所示。
3.2 电路设计
Proteus 在绘制硬件原理图时与DXP、EWB 等类似，都要先从软件包的器件库里选取所需的元器件，然后拖放在绘图区适当的位置，最后编辑元器件的参数，并实现电路连线等步骤。 按照功能要求要求，列出所需的元器件清单，如表1 所示。
根据清单，将元件库中的符号模型添加到对象选择器窗口，在Proteus ISIS工作区绘制原理图并设置如表1中所示各元件参数，完整硬件电路原理图如图1所示。图中电路可分为四个主要部分：AT89C51的复位电路、模拟量输入电路、AT89C51与ADS7825转换器的接口电路和AT89C51与LCD的接口电路。ADS7825与AT89C511单片机的引脚连接关系可由图1看出，通道选择由P3.1和P3.0组合控制，单片机P2口在传送高8位地址的过程中，对ADS7825的控制命令也附加在其间，实现对ADS7825的启动转换以及数据读取等操作。很明显这里ADS7825与MCS-51单片机的连接属于并行存储器扩展连接范畴，按照ADS7825的时序要求及存储器扩展地址确定方法，可以确定转换启动端口、高8位数据读取端口和低8位数据读取端口的地址分别为8FFF、9FFF和BFFF。
3.3软件设计
在软件设计中，通过查询方式读取ADS7825 的转换结果，由于转换结果为十六位数据，所以必须分两次来读取转换结果的高8位和低8位数据，然后再将高8位和低8位拼接成16位数据，经过量度变换后输出到LCD上进行显示。
软件分为三个部分：主函数、数据采集函数、LCD显示函数
主函数主要完成液晶显示器的初始化、分通道数据采集及送显示任务，主函数流程如图2（1）所示。
数据采集函数实现不同通道数据的采集任务，首先发出对应通道的P3.1、P3.0输出值，然后发出启动转换命令，AD开始工作后要不断查询转换结束标志，转换结束后分别读取数据的高8位和低8位，并组合成16位数据，接着要进行整型数据到字符串的转换，这样做的目的是为了满足液晶显示器显示字符的需要。该函数流程如图2（2）所示。
LCD显示函数较为简单，主要完成把各通道采集的数据送到LCD对应的行位置显示。
3.4仿真效果
在Keil μVision4下进行程序编辑，将生成的HEX加载到Proteus的单片机中，然后进行仿真运行，调节四个电位器，可以看到液晶显示器上显示各通道数据的变化情况，图1中LCD显示的数字是电位器在某一位置时的A/D转换结果。
4.结论
利用Proteus 仿真软件进行智能仪器仪表的设计不存在硬件材料消耗和元器件质量影响、损坏等问题，所做设计具有重构性，它丰富的器件库和强大的仿真功能可以帮助学生更快、更好地学习、掌握仪器设计的精髓，较快实现从理论抽象到具体仪器跨越，预先看到“真实的仪器”，为学生实践创新能力的培养提供了捷径，对智能仪器仪表课程的教学起到事半功倍的效果。
参考文献：
[1]史键芳. 智能仪器设计基础[M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[2]贾振国. 智能化仪器仪表原理及应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011.
[3]江世明. 基于Proteus的单片机应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
[4]胡景春，叶水生，韩旭等. 计算机科学与技术专业硬件教学实践环节的综合研究与建设[J]. 实验技术与管理， 2010.3：12-14.
[5]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲等. 基于Proteus 的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007.26（12）：：75-78.