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[摘要]本文介绍了Proteus VSM的特点，并结合实例闸述了在计算机硬件类课程的教学过程中通过Proteus VSM实现计算机仿真实验的应用，说明了基于Proteus VSM的计算机仿真实验的优点与存在的不足，其具体方法可推广应用到实际系统的设计与仿真过程中。
[关键词]Proteus VSM 计算机硬件 实验 仿真
一、前言
在计算机及相关专业的教学计划中，硬件类课程占有一定的比例。对于这类课程的学习，往往需要大量的实验与实践的配合才能取得比较好的效果。然而，无论是常规实验还是与实际需求比较接近的设计实践，都需要有相应的硬件设备、仪器仪表以及相关元器件的支持，要满足这类需求，通常需要投入大量设备购置资金和运行维护费用，而且只能有条件地、部分满足学习者的需要。比如，由于实验学时数有限、设备数量有限、设备的使用与维护规则等原因，即使是对在校的大学生，也只能按规定时间、在规定地点、对规定的对象、做规定内容的实验，这“四个规定”与人才培养的实际需求相差甚远。如何改变这种局面，是各高校计算机及相关专业必须面临的实际问题。引入Proteus VSM的计算机仿真实验，可以算是一个很好的补充，一方面为解决硬件类课程实验所需设备、仪器仪表和元器件不足的问题，同时，由于Proteus具有从概念到产品的完整设计功能，所以，掌握Proteus的应用也为实际项目的研发打了良好的基础。
二、Proteus VSM简介
Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对多种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。其主要特点如下：
(1)智能原理图输入系统功能强大
Proteus VSM (Visual System Model，虚拟系统模型)使用已被广泛验证的Schematic Capture 软件作为设计和开发的平台，ISIS(Intelligent Schematic Input System) 是一个被长时间使用、组合有很多易用功能的编辑工具，其Schematic Capture既支持仿真又支持PCB(Printed Circuit Board)设计，由于Proteus VSM的设计可直接产生PCB设计软件或第三方PCB设计工具需要的网表，一旦仿真实验成功，可以方便地设计出PCB，顺利实现从仿真系统向实际系统的转换，从而避免了在设计过程中的反复制板造成的损失，缩短产品的研发周期。
(2)电路仿真生动逼真
Proteus VSM的核心是ProSpice，这是一个组合了SPICE3F5 模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器的混合仿真系统，SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)内核的使用，使用户能采用数目众多的制造厂商提供的SPICE模型，目前该软件包已含有6000多个模型。
(3)虚拟仪器为数众多，与实际仪器仪表用法相近
Proteus VSM包含大量的虚拟仪器仪表：如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号图案发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压表、电流表，还有主／从／监视模式的SPI(Serial Peripheral Interface)和I2C(Inter-Integrated Circuit)规程分析仪，这些仪器仪表与实际设备用法非常接近，可以说掌握了这些虚拟仪器仪表的用法，对实际仪器仪表的使用也就不难掌握了。
(4)微处理器软件的协同仿真效果逼真
Proteus VSM最重要的特点是它能把相应的微处理器软件作用在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。微处理器模型和其它器件的模型一同驻留在原理图设计中，它仿真执行目标码，如果程序代码向一个外设端口输出，电路中逻辑电平会相应变化，如果电路改变微处理器管脚的状态，也可以在用户的程序代码中察觉，就像真实系统一样。
VSM CPU模型能完整仿真I/O口、中断、定时器、通用外设接口和其它与CPU有关的外设资源。VSM甚至能仿真多个CPU，能方便地处理两个或多个微控制器的连接与设计。
(5)源码级调试与第三方软件配合密切
由于Proteus VSM有接近实时仿真微控制器系统的特点，这使它可以实现单步执行仿真，就像正在使用相应的软件调试器类似。除了单步执行仿真外，还能观察到整个设计的效果。当然，VSM能达到上述效果依赖于所采用的微控制器类型及相关的编译器，比如，常用的51系列单片机及Keil C51编译器就能方便地实现联合调试，达到与实际系统源码级调试类似的效果。
(6)元器件模型库非常丰富
除了微控制器模型外，VSM包含数千种器件模型，比如标准电子元件有：电阻、电容、二极管、晶体管、SCRs、光耦合器、运算放大器、555定时器等；74系列以及4000系列的TTL和CMOS器件；存储器有：ROM、RAM、E2PROM、I2C器件等；还包含有大量复杂的外设模型，如7段LED数码管、指示灯和I/O标志，字符和图形LCD显示，通用矩阵键盘，按钮、开关，压电发声器和喇叭，I2C、SPI和其它I/O扩充外设，还有直流电机、步进电机和伺服电机模型等。
三、Proteus VSM在计算机硬件类课程中的仿真教学
计算机及相关专业的硬件类课程主要有：电工电子、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机技术、嵌入式系统等，这些课程的实验都可借助Proteus VSM通过计算机仿真来实现，下面通过实例加以说明。
(1)直流电路的基本定律仿真
直流电路的欧姆(Ohm)定律和基尔荷夫(Kirchoff)电流定律，可以通过图1所示电路进行仿真，图中，电源电压U=10伏，总电阻R=R1+R2×R3/(R2＋R3)=10(欧)，所以总电流(也就是流过R1的电流)I=10/10=1(安)，从而验证了欧姆定律I=U/R。电流I在流过R1后分成两路，因R2和R3相等，所以流过R2(设为I1)和R3(设为I2)的电流各0.5安，从而验证了基尔荷夫电流定律，即I=I1+I2。
在仿真过程中，对电流的检测既可以用电流探针(Current Probe)如图1(a)实现、也可以用电流表如图1(b)来进行。不过由于电流表的显示位数有限，在电流特别大或特别小时，用电流探针可以更精确一些。在使用电流探针时，要注意探针的放置，使表示电流流向箭头与实际电流的流向一致。同理，如果需要测量电压也可以用电压探针和电压表来实现。
图1：直流电路的基本定律仿真
(2)555振荡电路仿真
如图2(a)所示是使用NE555设计的一个振荡电路，通过调整电位器RV1，可以调整输出端Vout的振荡频率。在仿真过程中，可以使用频率计检测输出信号的频率，还可以接上虚拟示波器查看输出波形，如图2(b)所示。从仿真结果与实际电路的检测结果对比看，两者的参数非常吻合。
如果要做这样的实际实验，除了需要元器件和实验板外，要查看实验结果，还需频率计和示波器等设备，这在相应的专用实验室以外通常是很难有这样的条件实现的，而有了Proteus VSM的支持，做这仿真实验却非常简单便捷。
图2：555振荡电路及其仿真
(3)数字逻辑中的组合逻辑与时序逻辑电路仿真
Proteus VSM提供了大量的组合逻辑电路和时序逻辑电路的仿真模型，可以满足数字逻辑与数字系统设计课程的教学需要。下面仅以一个例子来说明。
74LS248是一个将输入的BCD码转换成七段数码管字形码的组合逻辑电路，其输出仅与当前的输入有关，在输入端D、C、B、A输入BCD码0000～1001时，输出端QG～QA就能输出与输入BCD码对应的七段共阴极数码管的字型码。
74LS160是一个可实现BCD计数功能的时序逻辑电路，其输出不仅与当前的输入有关，还与当前输入发生前的输出状态有关。在使能有效的情况下，从CLK引脚输入一个上升沿的脉冲，即可使其输出在原输出值的基础上加1，从而实现一位BCD码的循环计数。
图3(a)所示为74LS160与74LS248结合，再配接开关输入电路和共阴七段LED数码管输出电路构成的一位BCD计数器，由于74LS160装入的初值为0，所以经74LS248译码后送到数码管的是数字0的字形码，从而使开始仿真后数码管显示结果为0。此后每按一次按钮开关K1，数码管显示的计数值加1，图3(b)是按了三次K1后的仿真结果。
图3：基于组合逻辑和时序逻辑电路的一位BCD计数器及其仿真
(4)单片机与相应程序的协同仿真
Proteus VSM可协同仿真的微处理器和微控制器有很多种，其中包括16位的8086 CPU、8位的单片机有MCS-51系列、AVR系列、PIC系列等，16位的单片机有MSP-430单片机系列，还有32位的LPC ARM7系列等。下面仅以常用的MCS-51系列为例说明。
仍以一位BCD计数器为例，不同的是现在采用常用的AT89C51单片机和Keil C51编程来实现。原理图如图4(a)所示，在单片机的最小系统(晶振电路和复位电路)基础上，在P0口接了一个共阴数码管，并在定时器/计数器T0外部脉冲输入端接了一个按钮开关。
图4:基于51单片机的一位BCD计数器及其仿真
如果仅有原理图，无论怎样按动按钮开关K1，计数器系统都是不会工作的，必须有软件的配合。用Keil C51编程实现的程序如图5所示中，编码后生成hex文件，然后在Proteus ISIS系统中设定AT89C81与该程序协同仿真，这样，每按动一次按钮开关K1，计数器就可以在0至9之间做一次循环加1计数，并将计数结果显示在P0口所接的共阴数码管上，图4(b)所示为按了三次K1后的仿真效果。
图5：供图4所示一位BCD计数器协同仿真的C51程序
(5)Proteus VSM在硬件类课程设计中的应用
为了提高教学效果，在计算机专业的本科教学计划中还有部分硬件类课程的课程设计，比如数字逻辑课程设计，计算机组成原理课程设计等，与实验相比，课程设计的时间要长得多，通常是安排在1.5周的专门时间来完成。这对于实验设备不足的学校来说，无疑是一个更大的困难，因为每个实验都不是短时间内可以完成的，在涉及硬件线路接线工作的情况下，不可能在一个学生没有完成之前又换成另一个学生来做，因此在一周半的时间里，让多个学生共用一套实验设备来完成课程设计是很不好处理的。有了Proteus VSM以后，情况就大不一样了，在虚拟平台上的设计都是可以用文件形式随时保存的，因此不存在像在实验箱那样，每个学生在完成设计之前需要独占资源的问题，由于可以实现实验箱和虚拟平台的有效分流，交叉进行并互为验证，从而大大缓解了课程设计中的硬件资源不足等问题。此外，由于虚拟平台的设计不存在设备维护问题，也不存在人身和设备的安全隐患，还有Proteus VSM各类丰富资源的支持，所以在虚拟平台上的设计结果，无论从功能性、灵活性方面都比用实验箱所做的设计结果更好。如图6所示为某一学生设计的带有星期的时钟系统，尽管还不是很完善，但基本功能已能满足设计要求。
图6 基于Proteus VSM的时钟系统的计算机仿真
四、基于Proteus VSM计算机仿真实验的优点与不足
与实际实验相比，基于Proteus VSM的计算机仿真实验有许多优点。但其最大的优点是突破了前言所说的“四个规定”，使计算机硬件类课程的仿真实验可以推广到实验室以外任何有个人电脑的地方，也大大方便了任课老师在课堂上通过多媒体进行教学演示。不足之处主要有：当电路规模比较大时，仿真的实时性会有一定的影响，此外，在实际系统中存在的EMI（Electromagnetic Interference)和 EMC（Electromagnetic Compatibility)等问题在仿真过程中不能正常体现。
五、结语
尽管基于Proteus VSM的计算机仿真实验与实际实验相比还存在不足，但仍不失为辅助教学的有效手段，其生动逼真的仿真效果可提高学生的学习兴趣，先仿真成功再与PCB的结合形成实际系统，可有效减少设计开销，缩短设计周期，提高成功率。
资助项目：2010年湖北省高等学校省级教学研究项目----计算机专业硬件课程体系的建设与改革（2010179）
（作者单位：武汉科技大学 计算机科学与技术学院 湖北武汉）
[关键词]Proteus VSM 计算机硬件 实验 仿真
一、前言
在计算机及相关专业的教学计划中，硬件类课程占有一定的比例。对于这类课程的学习，往往需要大量的实验与实践的配合才能取得比较好的效果。然而，无论是常规实验还是与实际需求比较接近的设计实践，都需要有相应的硬件设备、仪器仪表以及相关元器件的支持，要满足这类需求，通常需要投入大量设备购置资金和运行维护费用，而且只能有条件地、部分满足学习者的需要。比如，由于实验学时数有限、设备数量有限、设备的使用与维护规则等原因，即使是对在校的大学生，也只能按规定时间、在规定地点、对规定的对象、做规定内容的实验，这“四个规定”与人才培养的实际需求相差甚远。如何改变这种局面，是各高校计算机及相关专业必须面临的实际问题。引入Proteus VSM的计算机仿真实验，可以算是一个很好的补充，一方面为解决硬件类课程实验所需设备、仪器仪表和元器件不足的问题，同时，由于Proteus具有从概念到产品的完整设计功能，所以，掌握Proteus的应用也为实际项目的研发打了良好的基础。
二、Proteus VSM简介
Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对多种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。其主要特点如下：
(1)智能原理图输入系统功能强大
Proteus VSM (Visual System Model，虚拟系统模型)使用已被广泛验证的Schematic Capture 软件作为设计和开发的平台，ISIS(Intelligent Schematic Input System) 是一个被长时间使用、组合有很多易用功能的编辑工具，其Schematic Capture既支持仿真又支持PCB(Printed Circuit Board)设计，由于Proteus VSM的设计可直接产生PCB设计软件或第三方PCB设计工具需要的网表，一旦仿真实验成功，可以方便地设计出PCB，顺利实现从仿真系统向实际系统的转换，从而避免了在设计过程中的反复制板造成的损失，缩短产品的研发周期。
(2)电路仿真生动逼真
Proteus VSM的核心是ProSpice，这是一个组合了SPICE3F5 模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器的混合仿真系统，SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)内核的使用，使用户能采用数目众多的制造厂商提供的SPICE模型，目前该软件包已含有6000多个模型。
(3)虚拟仪器为数众多，与实际仪器仪表用法相近
Proteus VSM包含大量的虚拟仪器仪表：如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号图案发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压表、电流表，还有主／从／监视模式的SPI(Serial Peripheral Interface)和I2C(Inter-Integrated Circuit)规程分析仪，这些仪器仪表与实际设备用法非常接近，可以说掌握了这些虚拟仪器仪表的用法，对实际仪器仪表的使用也就不难掌握了。
(4)微处理器软件的协同仿真效果逼真
Proteus VSM最重要的特点是它能把相应的微处理器软件作用在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。微处理器模型和其它器件的模型一同驻留在原理图设计中，它仿真执行目标码，如果程序代码向一个外设端口输出，电路中逻辑电平会相应变化，如果电路改变微处理器管脚的状态，也可以在用户的程序代码中察觉，就像真实系统一样。
VSM CPU模型能完整仿真I/O口、中断、定时器、通用外设接口和其它与CPU有关的外设资源。VSM甚至能仿真多个CPU，能方便地处理两个或多个微控制器的连接与设计。
(5)源码级调试与第三方软件配合密切
由于Proteus VSM有接近实时仿真微控制器系统的特点，这使它可以实现单步执行仿真，就像正在使用相应的软件调试器类似。除了单步执行仿真外，还能观察到整个设计的效果。当然，VSM能达到上述效果依赖于所采用的微控制器类型及相关的编译器，比如，常用的51系列单片机及Keil C51编译器就能方便地实现联合调试，达到与实际系统源码级调试类似的效果。
(6)元器件模型库非常丰富
除了微控制器模型外，VSM包含数千种器件模型，比如标准电子元件有：电阻、电容、二极管、晶体管、SCRs、光耦合器、运算放大器、555定时器等；74系列以及4000系列的TTL和CMOS器件；存储器有：ROM、RAM、E2PROM、I2C器件等；还包含有大量复杂的外设模型，如7段LED数码管、指示灯和I/O标志，字符和图形LCD显示，通用矩阵键盘，按钮、开关，压电发声器和喇叭，I2C、SPI和其它I/O扩充外设，还有直流电机、步进电机和伺服电机模型等。
三、Proteus VSM在计算机硬件类课程中的仿真教学
计算机及相关专业的硬件类课程主要有：电工电子、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机技术、嵌入式系统等，这些课程的实验都可借助Proteus VSM通过计算机仿真来实现，下面通过实例加以说明。
(1)直流电路的基本定律仿真
直流电路的欧姆(Ohm)定律和基尔荷夫(Kirchoff)电流定律，可以通过图1所示电路进行仿真，图中，电源电压U=10伏，总电阻R=R1+R2×R3/(R2＋R3)=10(欧)，所以总电流(也就是流过R1的电流)I=10/10=1(安)，从而验证了欧姆定律I=U/R。电流I在流过R1后分成两路，因R2和R3相等，所以流过R2(设为I1)和R3(设为I2)的电流各0.5安，从而验证了基尔荷夫电流定律，即I=I1+I2。
在仿真过程中，对电流的检测既可以用电流探针(Current Probe)如图1(a)实现、也可以用电流表如图1(b)来进行。不过由于电流表的显示位数有限，在电流特别大或特别小时，用电流探针可以更精确一些。在使用电流探针时，要注意探针的放置，使表示电流流向箭头与实际电流的流向一致。同理，如果需要测量电压也可以用电压探针和电压表来实现。
图1：直流电路的基本定律仿真
(2)555振荡电路仿真
如图2(a)所示是使用NE555设计的一个振荡电路，通过调整电位器RV1，可以调整输出端Vout的振荡频率。在仿真过程中，可以使用频率计检测输出信号的频率，还可以接上虚拟示波器查看输出波形，如图2(b)所示。从仿真结果与实际电路的检测结果对比看，两者的参数非常吻合。
如果要做这样的实际实验，除了需要元器件和实验板外，要查看实验结果，还需频率计和示波器等设备，这在相应的专用实验室以外通常是很难有这样的条件实现的，而有了Proteus VSM的支持，做这仿真实验却非常简单便捷。
图2：555振荡电路及其仿真
(3)数字逻辑中的组合逻辑与时序逻辑电路仿真
Proteus VSM提供了大量的组合逻辑电路和时序逻辑电路的仿真模型，可以满足数字逻辑与数字系统设计课程的教学需要。下面仅以一个例子来说明。
74LS248是一个将输入的BCD码转换成七段数码管字形码的组合逻辑电路，其输出仅与当前的输入有关，在输入端D、C、B、A输入BCD码0000～1001时，输出端QG～QA就能输出与输入BCD码对应的七段共阴极数码管的字型码。
74LS160是一个可实现BCD计数功能的时序逻辑电路，其输出不仅与当前的输入有关，还与当前输入发生前的输出状态有关。在使能有效的情况下，从CLK引脚输入一个上升沿的脉冲，即可使其输出在原输出值的基础上加1，从而实现一位BCD码的循环计数。
图3(a)所示为74LS160与74LS248结合，再配接开关输入电路和共阴七段LED数码管输出电路构成的一位BCD计数器，由于74LS160装入的初值为0，所以经74LS248译码后送到数码管的是数字0的字形码，从而使开始仿真后数码管显示结果为0。此后每按一次按钮开关K1，数码管显示的计数值加1，图3(b)是按了三次K1后的仿真结果。
图3：基于组合逻辑和时序逻辑电路的一位BCD计数器及其仿真
(4)单片机与相应程序的协同仿真
Proteus VSM可协同仿真的微处理器和微控制器有很多种，其中包括16位的8086 CPU、8位的单片机有MCS-51系列、AVR系列、PIC系列等，16位的单片机有MSP-430单片机系列，还有32位的LPC ARM7系列等。下面仅以常用的MCS-51系列为例说明。
仍以一位BCD计数器为例，不同的是现在采用常用的AT89C51单片机和Keil C51编程来实现。原理图如图4(a)所示，在单片机的最小系统(晶振电路和复位电路)基础上，在P0口接了一个共阴数码管，并在定时器/计数器T0外部脉冲输入端接了一个按钮开关。
图4:基于51单片机的一位BCD计数器及其仿真
如果仅有原理图，无论怎样按动按钮开关K1，计数器系统都是不会工作的，必须有软件的配合。用Keil C51编程实现的程序如图5所示中，编码后生成hex文件，然后在Proteus ISIS系统中设定AT89C81与该程序协同仿真，这样，每按动一次按钮开关K1，计数器就可以在0至9之间做一次循环加1计数，并将计数结果显示在P0口所接的共阴数码管上，图4(b)所示为按了三次K1后的仿真效果。
图5：供图4所示一位BCD计数器协同仿真的C51程序
(5)Proteus VSM在硬件类课程设计中的应用
为了提高教学效果，在计算机专业的本科教学计划中还有部分硬件类课程的课程设计，比如数字逻辑课程设计，计算机组成原理课程设计等，与实验相比，课程设计的时间要长得多，通常是安排在1.5周的专门时间来完成。这对于实验设备不足的学校来说，无疑是一个更大的困难，因为每个实验都不是短时间内可以完成的，在涉及硬件线路接线工作的情况下，不可能在一个学生没有完成之前又换成另一个学生来做，因此在一周半的时间里，让多个学生共用一套实验设备来完成课程设计是很不好处理的。有了Proteus VSM以后，情况就大不一样了，在虚拟平台上的设计都是可以用文件形式随时保存的，因此不存在像在实验箱那样，每个学生在完成设计之前需要独占资源的问题，由于可以实现实验箱和虚拟平台的有效分流，交叉进行并互为验证，从而大大缓解了课程设计中的硬件资源不足等问题。此外，由于虚拟平台的设计不存在设备维护问题，也不存在人身和设备的安全隐患，还有Proteus VSM各类丰富资源的支持，所以在虚拟平台上的设计结果，无论从功能性、灵活性方面都比用实验箱所做的设计结果更好。如图6所示为某一学生设计的带有星期的时钟系统，尽管还不是很完善，但基本功能已能满足设计要求。
图6 基于Proteus VSM的时钟系统的计算机仿真
四、基于Proteus VSM计算机仿真实验的优点与不足
与实际实验相比，基于Proteus VSM的计算机仿真实验有许多优点。但其最大的优点是突破了前言所说的“四个规定”，使计算机硬件类课程的仿真实验可以推广到实验室以外任何有个人电脑的地方，也大大方便了任课老师在课堂上通过多媒体进行教学演示。不足之处主要有：当电路规模比较大时，仿真的实时性会有一定的影响，此外，在实际系统中存在的EMI（Electromagnetic Interference)和 EMC（Electromagnetic Compatibility)等问题在仿真过程中不能正常体现。
五、结语
尽管基于Proteus VSM的计算机仿真实验与实际实验相比还存在不足，但仍不失为辅助教学的有效手段，其生动逼真的仿真效果可提高学生的学习兴趣，先仿真成功再与PCB的结合形成实际系统，可有效减少设计开销，缩短设计周期，提高成功率。
资助项目：2010年湖北省高等学校省级教学研究项目----计算机专业硬件课程体系的建设与改革（2010179）
（作者单位：武汉科技大学 计算机科学与技术学院 湖北武汉）