protues虛擬實驗室
![]()
protues虛擬實驗室
隨著電子技術的不斷發展, 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重要組成部分的實驗教學，也越來越受到了人們的重視。它對于提高教學質量，培養學生的實際動手能力及創新思維能力具有無可比擬的作用。長期以來，高教研究者、工作者一直為此探索，并希望找到一個行之有效的方法。為此，人們借助現有的電子技術手段，建立了多種門類的實驗平臺（如電路分析實驗室、模擬電子線路實驗室、數字電路實驗室、信號與系統實驗室等），并在此平臺上開設了相應的實驗課程。盡管如此，這些措施并未達到預期的效果。特別是在電子技術高速發展的今天，這些方法及手段已經顯得不再適宜，建立一套新的實驗手段及方法已成為高教研究者、工作者的共識。
2 現有實驗室存在的問題
目前，現有的電子類實驗室大多存在以下問題：
1）不利于管理及維護。
現有電子類實驗室種類多、如電路實驗室、電子線路實驗室、數字電路實驗室、單片機實驗室、微機原理實驗室、ARM實驗室（或嵌入式系統實驗室）、信號系統實驗室、數字信號處理實驗室等；在每一類實驗室中，設備種類多、數量大（如，各類信號源設備、各類測試儀器儀表、各種實驗箱等）。種類繁多的設備，加上分批進行的學生實驗，對于有限的師資力量而言，有效的管理工程制圖桌及維護無疑成為十分艱巨的任務。
2）不利于保持實驗室的先進性，也不利于保護前期的投資
由于現代電子技術的飛速發展，各種新設備、新器件層出不窮，這就往往造成這樣一種現狀，某一種實驗設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，基于硬件設備手段建立的實驗室面臨著隨時可能落后的現狀，要想保護其前期投資更是難上加難。
3）不利于提高實驗效果。
現有電子類實驗室大多采取一種封閉式的實驗教學模式，即在規定的課時時間內，學生在規定的場地內，進行規定的實驗內容（由于實驗設備能力的限制造成），這種封閉式的實驗教學模式，一方面由于時間及場地的限制，往往造成學生不能有充夠的時間深入了解及研究實驗的內容，學生對實驗的興趣也被這些限制所扼殺。另一方面，固定式的驗證實驗內容也限制了學生的思維空間，扼殺了學生創新思維能力的培養。因此，其實驗效果很難提高，這種做法實際上背離了現代實驗教學改革中提出的“優化課內，強化課外”的實驗教學意識。
4）實驗內容彼此孤立，不利于培養學生“從概念到產品“認識的形成。
現有的各種電子類教學實驗，基本是進行固定程式的驗證式實驗，實驗所用的元器件，線路板已選好，學生所做的工作僅是對實驗箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立學生的相應概念而已。很難滿足現代實驗教學改革提出的三個實驗層次即“基礎性實驗、綜合性實驗、創新性實驗”的目標，目前的實驗平臺不能滿足這樣的訓練，即：學生從有一個概念（或想法）開始，然后著手教學電梯模型電路原理圖的設計、編寫程序代碼、調試、PCB設計，最后形成產品的整個開發過程的訓練。學生通過傳統實驗手段所得到的訓練是片面的、局部的，其對產品開發過程的認識并不深刻，這也是導致學生所學不能所用的根本原因所在。
5）不利于開展創新性研究。
開展創新性研究的前提是實驗環境的豐富資源及其靈活可變性。但目前基于硬件的實驗平臺往往采取一種定式的實驗或研究環境，即教師只能在有限的幾種器件或線路實驗板之上進行實驗內容的設定或研究，學生也同樣如此，這對于開展創新性研究極為不利。
6）不利于培養學生的實驗興趣及創新思維能力。
學生對某一課程實驗的興趣往往需要一段較長時間的培養才能產生，但現有的課程實驗由于場地不能隨時、隨地對學生開放，并且開放的時間也非常有限，這就不能激發學生的實驗興趣，另外其創新思維能力的培養也受到同樣的限制。
3 PROTEUS實驗室建設的必要性
3.1 PROTEUS實驗室概念
利用計算機仿真技術，在計算機網絡平臺上，學習電路分析、模擬電路、數字電路、嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）、微機原理與接口技術等課程，并進行電路設計、仿真、調試等通常在相應實驗室完成的實驗。一個計算機網絡硬件平臺（或一臺計算機）、一套電子仿真軟件，再加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進的實驗室。以虛代實、以軟代硬，即為虛擬實驗室的本質。
Proteus實驗室采用Proteus仿真軟件和相應的硬件平臺構成一個從虛擬到實際，從軟件到硬件，從概念到產品的全過程設計的多功能實驗平臺。它主要用于電路分析、模擬電路、數字電路、嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）等課程的實驗、研究等。
3.2 PROTEUS仿真軟件簡介
Proteus是一種功能強大的電子設計自動化軟件，提供智能原理圖設計系統、SPICE模擬電路、數字電路及MCU器件混合仿真系統和PCB設計系統功能。其不僅可以仿真傳統的電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）的仿真實驗，這也是其它任何仿真軟件無力所及的。例如，其教學用數控車床支持單片機和周邊設備，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、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實驗室的優點
Proteus實驗室的主要優點總結如下：
1）多功能型實驗室
其不僅可以仿真電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數字電路實驗，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）的仿真實驗，因此，它完全可以稱之為一個多功能的實驗平臺。
2）開放型實驗室 由于其硬件是基于網絡平臺的，如一個單位內的局域網、或企業網、或校園網（或單機板，基于一臺PC）或Internet用戶。因此其實驗用戶可以不受傳統實驗室的時間、空間、及實驗內容的限制。用戶可以跨越時間、空間及實驗內容的約束，盡情釋放自己的實驗興趣及創新思維；此外，這也使得設備的利用率得到最大的發揮。
3）先進型實驗室
由于Proteus實驗室主要由其Proteus仿真軟件實現，其內置：
①萬種以上的元器件（數字的、模擬的、交流的和直流的）及多達30多個元件庫；
②多種現實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指標，例如會計模擬實驗室極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，可盡可能減少儀器對測量結果的影響。
③豐富的測試信號源用于電路的測試，這些測試信號包括模擬信號和數字信號。
④先進的混合仿真系統（SPICE電路仿真器+數字仿真器+MCU仿真器）。這是一個組合了SPICE3F5模擬仿真器核、基于快速事件驅動的數字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系統，SPICE的使用使得您能夠采用數目眾多的制造商提供的SPICE模型，目前該軟件包含了6000多個模型。
這些先進的內置配備，使得其能夠成為先進的實驗室。
另外，軟件還許可用戶自己定制器件模型，英國Labcenter公司也能夠為用戶制作，除此之外，軟件的不斷升級也可保證其器件模型同當今世界的電子技術發展同步，以上所有這些均極大地保證了實驗室的先進性，并可在相當長的時間內保持其先進性。
4）創新型實驗室
Proteus仿真軟件內置的豐富資源為進行創新型實驗研究奠定了基礎。其儀器儀表、信號源、元器件、器件模型一應俱全，教師可以在此開展創新實驗內容的研究，設計創新實驗內容，學生也可以在這里開展除規定實驗內容之外的中學勞動技能操作臺個性化實驗研究、創新開發研究。在這里沒有時間限制、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，盡情飛翔在創新的空間之中。
5）易管理、維護型實驗室
由于其核心為Proteus仿真軟件，因此，其實驗是無損耗的，其管理、維護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備管理工作量，使得教師可以有更多的精力投入到實驗內容的創新研究之中出。
6）低投入、高回報型實驗室
同傳統實驗室建設相比，Proteus實驗室建設可以稱之為低投入、高回報型實驗室。用戶只需建立相應的計算機網絡平臺（也可使用已有的計算機網絡平臺），外加購買一套Proteus網絡板軟件，少量的實驗驗證板即可而已。實驗室的維護費用幾乎為零，同時，建立這樣的實驗室一個卻可以同時起到多個實驗室的功效（如電路分析實驗室、模擬電路實驗室、數字電路實驗室、嵌入式系統實驗室（單片機應用系統、ARM應用系統）、微機原理與接口技術實驗室等）。
5 PROTEUS實驗室使用效果分析
Proteus實驗室起步于90年代初期，在短短十幾年的時間內，就得到了快速的發展。目前其用戶已遍布世界各地，這其中既有國際知名的企業，如ST、Motorola、Sony、Philips等，也有國際知名的大學，如Cambridge、Stanford、Oxford、California等。 Proteus實驗室于20世紀初期引入我國，目前已在國內的100多所大專院校及一些企業獲得使用，國內著名大學如清華大學、上海交大、中山大學、華南理工等。通過對我國企業及大專院校用戶的使用情況調查分析可知，企業用戶普遍反映Proteus電氣控制技術實驗臺能夠非常明顯降低產品的開發時間并降低開發成本；大專院校用戶普遍反映Proteus實驗室能夠明顯提高學生的綜合設計能力及創新開發能力，同時也極大地提高了畢業學生適應工作崗位的能力。這可以從這樣一個側面得到反映，已經建立Proteus實驗室的學校，其學生均在在全國大學生電子設計競賽中獲得較好的成績，這從一個方面反映了Proteus實驗室的建設對于提高學生的實際動手能力、綜合設計能力、創新能力具有非常明顯的作用
