protues虛擬實(shí)驗(yàn)室
添加時(shí)間：2017-06-28 點(diǎn)擊量：
![]()
protues虛擬實(shí)驗(yàn)室
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)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(xué)重要組成部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也越來越受到了人們的重視。它對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及創(chuàng)新思維能力具有無可比擬的作用。長(zhǎng)期以來，高教研究者、工作者一直為此探索，并希望找到一個(gè)行之有效的方法。為此，人們借助現(xiàn)有的電子技術(shù)手段，建立了多種門類的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如電路分析實(shí)驗(yàn)室、模擬電子線路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室、信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室等），并在此平臺(tái)上開設(shè)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。盡管如此，這些措施并未達(dá)到預(yù)期的效果。特別是在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，這些方法及手段已經(jīng)顯得不再適宜，建立一套新的實(shí)驗(yàn)手段及方法已成為高教研究者、工作者的共識(shí)。
2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室存在的問題
目前，現(xiàn)有的電子類實(shí)驗(yàn)室大多存在以下問題：
1）不利于管理及維護(hù)。
現(xiàn)有電子類實(shí)驗(yàn)室種類多、如電路實(shí)驗(yàn)室、電子線路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室、ARM實(shí)驗(yàn)室（或嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室）、信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室等；在每一類實(shí)驗(yàn)室中，設(shè)備種類多、數(shù)量大（如，各類信號(hào)源設(shè)備、各類測(cè)試儀器儀表、各種實(shí)驗(yàn)箱等）。種類繁多的設(shè)備，加上分批進(jìn)行的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，對(duì)于有限的師資力量而言，有效的管理工程制圖桌及維護(hù)無疑成為十分艱巨的任務(wù)。
2）不利于保持實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性，也不利于保護(hù)前期的投資
由于現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新設(shè)備、新器件層出不窮，這就往往造成這樣一種現(xiàn)狀，某一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備可能剛到用戶的手中就面臨落后的，就更不用說在2-3年后被淘汰是多么的正常。因此，基于硬件設(shè)備手段建立的實(shí)驗(yàn)室面臨著隨時(shí)可能落后的現(xiàn)狀，要想保護(hù)其前期投資更是難上加難。
3）不利于提高實(shí)驗(yàn)效果。
現(xiàn)有電子類實(shí)驗(yàn)室大多采取一種封閉式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即在規(guī)定的課時(shí)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生在規(guī)定的場(chǎng)地內(nèi)，進(jìn)行規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備能力的限制造成），這種封閉式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，一方面由于時(shí)間及場(chǎng)地的限制，往往造成學(xué)生不能有充夠的時(shí)間深入了解及研究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣也被這些限制所扼殺。另一方面，固定式的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也限制了學(xué)生的思維空間，扼殺了學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。因此，其實(shí)驗(yàn)效果很難提高，這種做法實(shí)際上背離了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中提出的“優(yōu)化課內(nèi)，強(qiáng)化課外”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)意識(shí)。
4）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容彼此孤立，不利于培養(yǎng)學(xué)生“從概念到產(chǎn)品“認(rèn)識(shí)的形成。
現(xiàn)有的各種電子類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，基本是進(jìn)行固定程式的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用的元器件，線路板已選好，學(xué)生所做的工作僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)箱連連線，使用一下測(cè)試儀器、儀表，建立學(xué)生的相應(yīng)概念而已。很難滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提出的三個(gè)實(shí)驗(yàn)層次即“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”的目標(biāo)，目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能滿足這樣的訓(xùn)練，即：學(xué)生從有一個(gè)概念（或想法）開始，然后著手教學(xué)電梯模型電路原理圖的設(shè)計(jì)、編寫程序代碼、調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)，最后形成產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程的訓(xùn)練。學(xué)生通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段所得到的訓(xùn)練是片面的、局部的，其對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過程的認(rèn)識(shí)并不深刻，這也是導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)不能所用的根本原因所在。
5）不利于開展創(chuàng)新性研究。
開展創(chuàng)新性研究的前提是實(shí)驗(yàn)環(huán)境的豐富資源及其靈活可變性。但目前基于硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往采取一種定式的實(shí)驗(yàn)或研究環(huán)境，即教師只能在有限的幾種器件或線路實(shí)驗(yàn)板之上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定或研究，學(xué)生也同樣如此，這對(duì)于開展創(chuàng)新性研究極為不利。
6）不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣及創(chuàng)新思維能力。
學(xué)生對(duì)某一課程實(shí)驗(yàn)的興趣往往需要一段較長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)才能產(chǎn)生，但現(xiàn)有的課程實(shí)驗(yàn)由于場(chǎng)地不能隨時(shí)、隨地對(duì)學(xué)生開放，并且開放的時(shí)間也非常有限，這就不能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，另外其創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)也受到同樣的限制。
3 PROTEUS實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性
3.1 PROTEUS實(shí)驗(yàn)室概念
利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，學(xué)習(xí)電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）、微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等通常在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)（或一臺(tái)計(jì)算機(jī)）、一套電子仿真軟件，再加上一本虛擬實(shí)驗(yàn)教程，就可相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室。以虛代實(shí)、以軟代硬，即為虛擬實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì)。
Proteus實(shí)驗(yàn)室采用Proteus仿真軟件和相應(yīng)的硬件平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)從虛擬到實(shí)際，從軟件到硬件，從概念到產(chǎn)品的全過程設(shè)計(jì)的多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它主要用于電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）等課程的實(shí)驗(yàn)、研究等。
3.2 PROTEUS仿真軟件簡(jiǎn)介
Proteus是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供智能原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。其不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路分析實(shí)驗(yàn)、模擬電子線路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)等，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）的仿真實(shí)驗(yàn)，這也是其它任何仿真軟件無力所及的。例如，其教學(xué)用數(shù)控車床支持單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫(kù)，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、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(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)
Proteus實(shí)驗(yàn)室的主要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：
1）多功能型實(shí)驗(yàn)室
其不僅可以仿真電路分析實(shí)驗(yàn)、模擬電子線路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）的仿真實(shí)驗(yàn)，因此，它完全可以稱之為一個(gè)多功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
2）開放型實(shí)驗(yàn)室 由于其硬件是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的，如一個(gè)單位內(nèi)的局域網(wǎng)、或企業(yè)網(wǎng)、或校園網(wǎng)（或單機(jī)板，基于一臺(tái)PC）或Internet用戶。因此其實(shí)驗(yàn)用戶可以不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間、空間、及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制。用戶可以跨越時(shí)間、空間及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的約束，盡情釋放自己的實(shí)驗(yàn)興趣及創(chuàng)新思維；此外，這也使得設(shè)備的利用率得到最大的發(fā)揮。
3）先進(jìn)型實(shí)驗(yàn)室
由于Proteus實(shí)驗(yàn)室主要由其Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)置：
①萬種以上的元器件（數(shù)字的、模擬的、交流的和直流的）及多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù)；
②多種現(xiàn)實(shí)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(shù)指標(biāo)，例如會(huì)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)室極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，可盡可能減少儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
③豐富的測(cè)試信號(hào)源用于電路的測(cè)試，這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。
④先進(jìn)的混合仿真系統(tǒng)（SPICE電路仿真器+數(shù)字仿真器+MCU仿真器）。這是一個(gè)組合了SPICE3F5模擬仿真器核、基于快速事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系統(tǒng)，SPICE的使用使得您能夠采用數(shù)目眾多的制造商提供的SPICE模型，目前該軟件包含了6000多個(gè)模型。
這些先進(jìn)的內(nèi)置配備，使得其能夠成為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室。
另外，軟件還許可用戶自己定制器件模型，英國(guó)Labcenter公司也能夠?yàn)橛脩糁谱?，除此之外，軟件的不斷升?jí)也可保證其器件模型同當(dāng)今世界的電子技術(shù)發(fā)展同步，以上所有這些均極大地保證了實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性，并可在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其先進(jìn)性。
4）創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)室
Proteus仿真軟件內(nèi)置的豐富資源為進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。其儀器儀表、信號(hào)源、元器件、器件模型一應(yīng)俱全，教師可以在此開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生也可以在這里開展除規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之外的中學(xué)勞動(dòng)技能操作臺(tái)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)研究、創(chuàng)新開發(fā)研究。在這里沒有時(shí)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象的翅膀，盡情飛翔在創(chuàng)新的空間之中。
5）易管理、維護(hù)型實(shí)驗(yàn)室
由于其核心為Proteus仿真軟件，因此，其實(shí)驗(yàn)是無損耗的，其管理、維護(hù)也就是用戶帳戶的管理、軟件的安裝及更新而已，這極大地降低了教師的設(shè)備管理工作量，使得教師可以有更多的精力投入到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新研究之中出。
6）低投入、高回報(bào)型實(shí)驗(yàn)室
同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相比，Proteus實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以稱之為低投入、高回報(bào)型實(shí)驗(yàn)室。用戶只需建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（也可使用已有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)），外加購(gòu)買一套Proteus網(wǎng)絡(luò)板軟件，少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證板即可而已。實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)用幾乎為零，同時(shí)，建立這樣的實(shí)驗(yàn)室一個(gè)卻可以同時(shí)起到多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功效（如電路分析實(shí)驗(yàn)室、模擬電路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室、嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）、微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等）。
5 PROTEUS實(shí)驗(yàn)室使用效果分析
Proteus實(shí)驗(yàn)室起步于90年代初期，在短短十幾年的時(shí)間內(nèi)，就得到了快速的發(fā)展。目前其用戶已遍布世界各地，這其中既有國(guó)際知名的企業(yè)，如ST、Motorola、Sony、Philips等，也有國(guó)際知名的大學(xué)，如Cambridge、Stanford、Oxford、California等。 Proteus實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)初期引入我國(guó)，目前已在國(guó)內(nèi)的100多所大專院校及一些企業(yè)獲得使用，國(guó)內(nèi)著名大學(xué)如清華大學(xué)、上海交大、中山大學(xué)、華南理工等。通過對(duì)我國(guó)企業(yè)及大專院校用戶的使用情況調(diào)查分析可知，企業(yè)用戶普遍反映Proteus電氣控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠非常明顯降低產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間并降低開發(fā)成本；大專院校用戶普遍反映Proteus實(shí)驗(yàn)室能夠明顯提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新開發(fā)能力，同時(shí)也極大地提高了畢業(yè)學(xué)生適應(yīng)工作崗位的能力。這可以從這樣一個(gè)側(cè)面得到反映，已經(jīng)建立Proteus實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校，其學(xué)生均在在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得較好的成績(jī)，這從一個(gè)方面反映了Proteus實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力具有非常明顯的作用
