protues虚拟实验室指实验平台的建设是实验教学系统及实验教学内容改革的基本措施，通过分析目前电子类实验室平台建设存在的缺陷及建立Proteus实验室的必要性，阐述了建立Proteus虚拟实验室是建立开放型、创新型、先进型、易管理及维护型实验室的良好选择，并就Proteus实验室架构进行了有益的探索。

电子类学科专业Proteus实验室的建设

匡载华1 邓小鹏2

（1．风标电子科技有限公司 2.清华大学计算机系）

关键词：Proteus实验室；建设；框架；虚拟实验室

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

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

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、信号与系统实验室等），并在此平台上开设了相应的实验课程。尽管如此，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：

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分艰巨的任务。

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。

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。

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。

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。

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，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

3.1 PROTEUS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（单片机应用系统、ARM应用系统）、微机原理与接口技术等课程，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Proteus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（单片机应用系统、ARM应用系统）等课程的实验、研究等。

3.2 PROTEUS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（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验，这也是其它任何仿真软件无力所及的。例如，其支持单片机和周边设备，可以仿真51系列、8086、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。

3.3 PROTEUS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（单片机应用系统、ARM应用系统）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。

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：

①万种以上的元器件（数字的、模拟的、交流的和直流的）及多达30多个元件库；

②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、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。

③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。

④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，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（单片机应用系统、ARM应用系统）、微机原理与接口技术实验室等）。

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，在此不在详述。

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 Proteus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68HC11系列等常用的MCU应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。

4.4 Proteus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：

⊙多功能型实验室目标

在Proteus实验室平台上，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（单片机应用系统、ARM应用系统）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）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；

⊙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，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、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。

⊙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出。

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于侧重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

本文以一个综合实验设计为例，说明基于Proteus实验室的综合型实验设计。

图-4给出了一个具体的MCS-51应用系统实验设计示例。

图-4 一个MCS-51应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单片机应用系统的设计，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、与非门等的使用方法；另外，学生还需熟悉8051单片机的指令系统及编程方法。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。这可以从这样一个侧面得到反映，已经建立Proteus实验室的学校，其学生均在在全国大学生电子设计竞赛中获得较好的成绩，这从一个方面反映了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。

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