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Proteus軟件在電子工藝實訓中的應用論文
針對學生電子工藝實訓教學環(huán)節(jié)存在的問題，提出了利用Proteus虛擬仿真軟件實現(xiàn)電子電路設計、仿真和驗證的輔助設計方法。并以多功能秒表系統(tǒng)設計為例，重點介紹了利用Proteus軟件實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設計過程。實踐證明，Proteus軟件的應用顯著提高了學生電子設計與制作的效率，提高了學生的實踐能力培養(yǎng)。
1 引言
電子工藝實訓是面向高校工科各專業(yè)的實習課程，屬于實踐性環(huán)節(jié)教學范疇。要求學生通過電子工藝實訓的工程訓練實踐環(huán)節(jié)，了解電子產(chǎn)品從基本的電路設計、電路焊接到產(chǎn)品裝配工藝的完整過程，使學生掌握電路設計、仿真、調(diào)試、焊接和裝配的基本技能，目的在于加強學生工程實踐訓練，從而進一步提高學生實踐能力和提出、分析、解決實際問題能力的培養(yǎng)[1-3]。
在多年的電子工藝實訓教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)，學生在電子產(chǎn)品的設計和制作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)問題。尤其在信號測試和分析時，由于實驗設備的限制，使得問題更加突出[4-5]。
Proteus 軟件是英國Labcenter公司研發(fā)的目前最先進的電子應用系統(tǒng)設計和實時交互仿真和PCB設計的平臺[6]，可以實現(xiàn)從電路設計、分析與仿真，單片機代碼級調(diào)試與仿真，系統(tǒng)測試與功能驗證到PCB制板圖設計，真正實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設計過程[7，8]。
一個完整的電子產(chǎn)品設計和制作，要求學生完成電路調(diào)試和PCB制板整個過程，為了解決學生在實訓過程中需要掌握多種軟件問題，我們在電子工藝實訓環(huán)節(jié)中引入Proteus軟件完成電路的輔助設計和調(diào)試功能。本文以多功能秒表系統(tǒng)設計為例，闡述了Proteus 8.2在電子產(chǎn)品制作中應用的完整過程。通過電子工藝實訓的教學實踐證明：Proteus 軟件有助于提高設計效率，同時縮短設計周期，特別在節(jié)約設計成本方面尤其明顯，取得了較好的應用效果。
2 系統(tǒng)功能要求分析
電子工藝實訓中多功能秒表要求實現(xiàn)的功能是：利用8051單片機設計一個秒表，能夠顯示秒的十位和個位，啟動秒表工作后能夠從00秒到99秒周而復始的工作;能夠通過按鍵控制秒表的暫停和繼續(xù)計時;具備正計時和倒計時選擇控制功能;倒計時狀態(tài)下具備初值在線設定功能。
分析系統(tǒng)功能后可知，系統(tǒng)應當包含單片機模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和時鐘信號模塊，時鐘信號模塊可以利用單片機內(nèi)部集成的定時/計數(shù)器實現(xiàn)，所以只需要設置主機模塊、顯示模塊和鍵盤模塊即可。
3 工程創(chuàng)建與仿真
Proteus 8.2軟件較之前版本的Proteus軟件最大的區(qū)別在于將ISIS、ARES、代碼窗口基于一體，可以在一個工程中實現(xiàn)電路設計、代碼調(diào)試和PCB設計的完整過程。點擊新建工程后，根據(jù)新建工程向?qū)Х謩e完成原理圖、PCB圖、固件以及編譯器的選擇。
3.1 原理圖的繪制
在新創(chuàng)建的工程中，通過“原理圖”標簽進入ISIS原理圖編輯環(huán)境，在軟件左側(cè)的元件模式工具欄中分別添加相應的元器件，元器件的查找支持多種模式，用戶可按照器件大類、器件小類和生產(chǎn)商等三個層次進行器件查找和選擇。查找到需要的器件后，雙擊器件，可將器件裝入工程器件列表欄中。最后在原理圖編輯環(huán)境中分別完成元件添加、編輯和連線等工作后，完成如圖1所示的多功能秒表系統(tǒng)電路原理圖繪制，電路繪制后可以通過電氣規(guī)則檢查功能進行電路完整性的電氣規(guī)則檢查。
3.2 代碼編輯
原理圖繪制檢查結(jié)束后，就可以通過“源代碼”標簽進入代碼編輯環(huán)境，在代碼窗口中完成代碼編輯后，通過構(gòu)建菜單進行代碼工程的構(gòu)建。進行工程構(gòu)建后，VSM Studio會輸出相應的提示信息，用戶可依照VSM Studio輸出信息提示逐步完成代碼修改、編輯和完善，直至VSM Studio輸出信息提示為編譯成功，通過編輯編譯器的工作模式，可分別得到工程的*.OMF文件和*.HEX目標代碼。特別值得一提的是，新的Proteus 8.2版本不僅內(nèi)部集成了自己的ASM51編譯器，還可調(diào)用外部編譯器，如常見的Keil和IAR等編譯器，程序調(diào)試非常方便。
3.3 電路和程序協(xié)同仿真程序編輯結(jié)束并且編譯成功后，Proteus軟件會自動把目標代碼加載到單片機中，點擊“開始仿真”按鈕后，就可以進行電路圖和代碼的協(xié)同仿真和調(diào)試運行了。通常在程序調(diào)試時，不僅需要觀察代碼的運行情況，還需要觀察原理圖中器件的輸入輸出變化，從而分析程序的正確性。為此，Proteus軟件提供了一個調(diào)試彈出模式控件，在仿真調(diào)試的過程中，可以將原理圖中選定的一部分電路在VSM Studio頁面中顯示出來，可以非常方便地在調(diào)試窗口中同時查看程序和原理圖，圖2給出了使用調(diào)試彈出模式控件后進行程序調(diào)試效果圖。
4 系統(tǒng)PCB設計
4.1 PCB設計準備
當原理圖和代碼協(xié)同仿真調(diào)試成功后，就可以進行系統(tǒng)的PCB設計，在設計系統(tǒng)PCB之前需要檢查原理圖元器件的封裝情況，可以點擊“設計瀏覽器”工具欄查看元件封裝情況，只有所以器件的封裝都正常后方可進行PCB設計。如果部分元件沒有合適的元件封裝，那么就需要給相應的器件創(chuàng)建或者安排相應的封裝[9]。
4.2 元件封裝創(chuàng)建
本次設計的多功能秒表中的多個按鍵和數(shù)碼管就沒有合適的封裝可選擇，因此需要自行進行按鍵的封裝創(chuàng)建。具體的操作步驟為：選擇二維方框圖形模式(需要將層面設置為Top silk)，繪制出器件外形輪廓或者邊框;添加相應類型和大小焊盤，并且編號;選擇邊框和焊盤單擊鼠標右鍵進行封裝，圖3給出了制作完成后的數(shù)碼管和鍵盤封裝效果圖。
4.3 電路板布局與布線
完成PCB設計的準備工作后，就可以通過“PCB布板”標簽進入PCB設計環(huán)境，在放置元件之前，首先需要定義好電路板的形狀和大小。對于本次設計的簡單工程，只需要繪制一個矩形電路板邊框即可。其基本步驟為：選擇二維方框圖形模式(需要將層面設置為Board Edge)，繪制出電路的邊框;選擇工具菜單欄中的自動布局菜單，完成器件的自動布局;通過手工布局優(yōu)化器件布局效果;設置相應的布線規(guī)則(如電源或者地線設置不同寬度等);通過工具菜單欄中的自動布線工具進行布線;進行布線規(guī)則檢查;電路板敷銅或者補淚滴等操作。
所有工作完成后，就可以生產(chǎn)系統(tǒng)PCB圖的三維預覽效果圖和物料清單，完成PCB的設計，圖4和圖5分別給出了多功能秒表系統(tǒng)的PCB和三維預覽圖。
5 結(jié)語
目前，各種EDA工具種類繁多，在電子產(chǎn)品設計與制作中需要進行電路仿真和PCB設計，尤其電子產(chǎn)品涉及單片機等未處理器時，還需要對設計方案進行程序調(diào)試和仿真，因此，挑選合適的仿真軟件是十分重要，筆者經(jīng)過多年的電子工藝實訓教學實踐后，提出了基于Proteus軟件的電子工藝實訓輔助設計方法。
該方法有效減輕了學生要學習多種EDA軟件的負擔，在同一款軟件中實現(xiàn)了設計、仿真、調(diào)試和PCB設計的完整設計任務，該方法經(jīng)教學實踐驗證，在提高了設計效率、節(jié)約設計時間的同時，有效地降低了設計成本，值得借鑒和推廣。
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