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Proteus軟件在電子工藝實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用論文
針對(duì)學(xué)生電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，提出了利用Proteus虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)電子電路設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的輔助設(shè)計(jì)方法。并以多功能秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)介紹了利用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)踐證明，Proteus軟件的應(yīng)用顯著提高了學(xué)生電子設(shè)計(jì)與制作的效率，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。
1 引言
電子工藝實(shí)訓(xùn)是面向高校工科各專(zhuān)業(yè)的實(shí)習(xí)課程，屬于實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)范疇。要求學(xué)生通過(guò)電子工藝實(shí)訓(xùn)的工程訓(xùn)練實(shí)踐環(huán)節(jié)，了解電子產(chǎn)品從基本的電路設(shè)計(jì)、電路焊接到產(chǎn)品裝配工藝的完整過(guò)程，使學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、焊接和裝配的基本技能，目的在于加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐訓(xùn)練，從而進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐能力和提出、分析、解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)[1-3]。
在多年的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。尤其在信號(hào)測(cè)試和分析時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，使得問(wèn)題更加突出[4-5]。
Proteus 軟件是英國(guó)Labcenter公司研發(fā)的目前最先進(jìn)的電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)交互仿真和PCB設(shè)計(jì)的平臺(tái)[6]，可以實(shí)現(xiàn)從電路設(shè)計(jì)、分析與仿真，單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真，系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到PCB制板圖設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過(guò)程[7，8]。
一個(gè)完整的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作，要求學(xué)生完成電路調(diào)試和PCB制板整個(gè)過(guò)程，為了解決學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中需要掌握多種軟件問(wèn)題，我們?cè)陔娮庸に噷?shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中引入Proteus軟件完成電路的輔助設(shè)計(jì)和調(diào)試功能。本文以多功能秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述了Proteus 8.2在電子產(chǎn)品制作中應(yīng)用的完整過(guò)程。通過(guò)電子工藝實(shí)訓(xùn)的教學(xué)實(shí)踐證明：Proteus 軟件有助于提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期，特別在節(jié)約設(shè)計(jì)成本方面尤其明顯，取得了較好的應(yīng)用效果。
2 系統(tǒng)功能要求分析
電子工藝實(shí)訓(xùn)中多功能秒表要求實(shí)現(xiàn)的功能是：利用8051單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)秒表，能夠顯示秒的十位和個(gè)位，啟動(dòng)秒表工作后能夠從00秒到99秒周而復(fù)始的工作;能夠通過(guò)按鍵控制秒表的暫停和繼續(xù)計(jì)時(shí);具備正計(jì)時(shí)和倒計(jì)時(shí)選擇控制功能;倒計(jì)時(shí)狀態(tài)下具備初值在線設(shè)定功能。
分析系統(tǒng)功能后可知，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含單片機(jī)模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊和時(shí)鐘信號(hào)模塊，時(shí)鐘信號(hào)模塊可以利用單片機(jī)內(nèi)部集成的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，所以只需要設(shè)置主機(jī)模塊、顯示模塊和鍵盤(pán)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(gè)工程中實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)的完整過(guò)程。點(diǎn)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(guò)“原理圖”標(biāo)簽進(jìn)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(yīng)的元器件，元器件的查找支持多種模式，用戶(hù)可按照器件大類(lèi)、器件小類(lèi)和生產(chǎn)商等三個(gè)層次進(jìn)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(guò)電氣規(guī)則檢查功能進(jìn)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(guò)“源代碼”標(biāo)簽進(jìn)入代碼編輯環(huán)境，在代碼窗口中完成代碼編輯后，通過(guò)構(gòu)建菜單進(jìn)行代碼工程的構(gòu)建。進(jìn)行工程構(gòu)建后，VSM Studio會(huì)輸出相應(yīng)的提示信息，用戶(hù)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(guò)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(biāo)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(jiàn)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(huì)自動(dòng)把目標(biāo)代碼加載到單片機(jī)中，點(diǎn)擊“開(kāi)始仿真”按鈕后，就可以進(jìn)行電路圖和代碼的協(xié)同仿真和調(diào)試運(yùn)行了。通常在程序調(diào)試時(shí)，不僅需要觀察代碼的運(yùn)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(gè)調(diào)試彈出模式控件，在仿真調(diào)試的過(guò)程中，可以將原理圖中選定的一部分電路在VSM Studio頁(yè)面中顯示出來(lái)，可以非常方便地在調(diào)試窗口中同時(shí)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(jìn)行程序調(diào)試效果圖。
4 系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)
4.1 PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)備
當(dāng)原理圖和代碼協(xié)同仿真調(diào)試成功后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)PCB之前需要檢查原理圖元器件的封裝情況，可以點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)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(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。如果部分元件沒(méi)有合適的元件封裝，那么就需要給相應(yīng)的器件創(chuàng)建或者安排相應(yīng)的封裝[9]。
4.2 元件封裝創(chuàng)建
本次設(shè)計(jì)的多功能秒表中的多個(gè)按鍵和數(shù)碼管就沒(méi)有合適的封裝可選擇，因此需要自行進(jìn)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(shè)置為T(mén)op silk)，繪制出器件外形輪廓或者邊框;添加相應(yīng)類(lèi)型和大小焊盤(pán)，并且編號(hào);選擇邊框和焊盤(pán)單擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行封裝，圖3給出了制作完成后的數(shù)碼管和鍵盤(pán)封裝效果圖。
4.3 電路板布局與布線
完成PCB設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作后，就可以通過(guò)“PCB布板”標(biāo)簽進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)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(duì)于本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單工程，只需要繪制一個(gè)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(shè)置為Board Edge)，繪制出電路的邊框;選擇工具菜單欄中的自動(dòng)布局菜單，完成器件的自動(dòng)布局;通過(guò)手工布局優(yōu)化器件布局效果;設(shè)置相應(yīng)的布線規(guī)則(如電源或者地線設(shè)置不同寬度等);通過(guò)工具菜單欄中的自動(dòng)布線工具進(jìn)行布線;進(jìn)行布線規(guī)則檢查;電路板敷銅或者補(bǔ)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(yù)覽效果圖和物料清單，完成PCB的設(shè)計(jì)，圖4和圖5分別給出了多功能秒表系統(tǒng)的PCB和三維預(yù)覽圖。
5 結(jié)語(yǔ)
目前，各種EDA工具種類(lèi)繁多，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作中需要進(jìn)行電路仿真和PCB設(shè)計(jì)，尤其電子產(chǎn)品涉及單片機(jī)等未處理器時(shí)，還需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(guò)多年的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐后，提出了基于Proteus軟件的電子工藝實(shí)訓(xùn)輔助設(shè)計(jì)方法。
該方法有效減輕了學(xué)生要學(xué)習(xí)多種EDA軟件的負(fù)擔(dān)，在同一款軟件中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)的完整設(shè)計(jì)任務(wù)，該方法經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，在提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間的同時(shí)，有效地降低了設(shè)計(jì)成本，值得借鑒和推廣。
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