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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節存在的問題，提出了利用Proteus虛擬仿真軟件實現電子電路設計、仿真和驗證的輔助設計方法。并以多功能秒表系統設計為例，重點介紹了利用Proteus軟件實現從概念到產品的完整設計過程。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。
1 引言
電子工藝實訓是面向高校工科各專業的實習課程，屬于實踐性環節教學范疇。要求學生通過電子工藝實訓的工程訓練實踐環節，了解電子產品從基本的電路設計、電路焊接到產品裝配工藝的完整過程，使學生掌握電路設計、仿真、調試、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[1-3]。
在多年的電子工藝實訓教學實踐過程中發現，學生在電子產品的設計和制作過程中，經常出現問題。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公司研發的目前最先進的電子應用系統設計和實時交互仿真和PCB設計的平臺[6]，可以實現從電路設計、分析與仿真，單片機代碼級調試與仿真，系統測試與功能驗證到PCB制板圖設計，真正實現從概念到產品的完整設計過程[7，8]。
一個完整的電子產品設計和制作，要求學生完成電路調試和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節中引入Proteus軟件完成電路的輔助設計和調試功能。本文以多功能秒表系統設計為例，闡述了Proteus 8.2在電子產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，特別在節約設計成本方面尤其明顯，取得了較好的應用效果。
2 系統功能要求分析
電子工藝實訓中多功能秒表要求實現的功能是：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計時;具備正計時和倒計時選擇控制功能;倒計時狀態下具備初值在線設定功能。
分析系統功能后可知，系統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部集成的定時/計數器實現，所以只需要設置主機模塊、顯示模塊和鍵盤模塊即可。
3 工程創建與仿真
Proteus 8.2軟件較之前版本的Proteus軟件最大的區別在于將ISIS、ARES、代碼窗口基于一體，可以在一個工程中實現電路設計、代碼調試和PCB設計的完整過程。點擊新建工程后，根據新建工程向導分別完成原理圖、PCB圖、固件以及編譯器的選擇。
3.1 原理圖的繪制
在新創建的工程中，通過“原理圖”標簽進入ISIS原理圖編輯環境，在軟件左側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電路原理圖繪制，電路繪制后可以通過電氣規則檢查功能進行電路完整性的電氣規則檢查。
3.2 代碼編輯
原理圖繪制檢查結束后，就可以通過“源代碼”標簽進入代碼編輯環境，在代碼窗口中完成代碼編輯后，通過構建菜單進行代碼工程的構建。進行工程構建后，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版本不僅內部集成了自己的ASM51編譯器，還可調用外部編譯器，如常見的Keil和IAR等編譯器，程序調試非常方便。
3.3 電路和程序協同仿真程序編輯結束并且編譯成功后，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同仿真和調試運行了。通常在程序調試時，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軟件提供了一個調試彈出模式控件，在仿真調試的過程中，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試窗口中同時查看程序和原理圖，圖2給出了使用調試彈出模式控件后進行程序調試效果圖。
4 系統PCB設計
4.1 PCB設計準備
當原理圖和代碼協同仿真調試成功后，就可以進行系統的PCB設計，在設計系統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建或者安排相應的封裝[9]。
4.2 元件封裝創建
本次設計的多功能秒表中的多個按鍵和數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;通過手工布局優化器件布局效果;設置相應的布線規則(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，就可以生產系統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的PCB和三維預覽圖。
5 結語
目前，各種EDA工具種類繁多，在電子產品設計與制作中需要進行電路仿真和PCB設計，尤其電子產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試和仿真，因此，挑選合適的仿真軟件是十分重要，筆者經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了設計、仿真、調試和PCB設計的完整設計任務，該方法經教學實踐驗證，在提高了設計效率、節約設計時間的同時，有效地降低了設計成本，值得借鑒和推廣。
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