针对学生电子工艺实训教学环节存在的问题，提出了利用Proteus虚拟仿真软件实现电子电路设计、仿真和验证的辅助设计方法。并以多功能秒表系统设计为例，重点介绍了利用Proteus软件实现从概念到产品的完整设计过程。实践证明，Proteus软件的应用显著提高了学生电子设计与制作的效率，提高了学生的实践能力培养。
1 引言
电子工艺实训是面向高校工科各专业的实习课程，属于实践性环节教学范畴。要求学生通过电子工艺实训的工程训练实践环节，了解电子产品从基本的电路设计、电路焊接到产品装配工艺的完整过程，使学生掌握电路设计、仿真、调试、焊接和装配的基本技能，目的在于加强学生工程实践训练，从而进一步提高学生实践能力和提出、分析、解决实际问题能力的培养[1-3]。
在多年的电子工艺实训教学实践过程中发现，学生在电子产品的设计和制作过程中，经常出现问题。尤其在信号测试和分析时，由于实验设备的限制，使得问题更加突出[4-5]。
Proteus 软件是英国Labcenter公司研发的目前最先进的电子应用系统设计和实时交互仿真和PCB设计的平台[6]，可以实现从电路设计、分析与仿真，单片机代码级调试与仿真，系统测试与功能验证到PCB制板图设计，真正实现从概念到产品的完整设计过程[7，8]。
一个完整的电子产品设计和制作，要求学生完成电路调试和PCB制板整个过程，为了解决学生在实训过程中需要掌握多种软件问题，我们在电子工艺实训环节中引入Proteus软件完成电路的辅助设计和调试功能。本文以多功能秒表系统设计为例，阐述了Proteus 8.2在电子产品制作中应用的完整过程。通过电子工艺实训的教学实践证明：Proteus 软件有助于提高设计效率，同时缩短设计周期，特别在节约设计成本方面尤其明显，取得了较好的应用效果。
2 系统功能要求分析
电子工艺实训中多功能秒表要求实现的功能是：利用8051单片机设计一个秒表，能够显示秒的十位和个位，启动秒表工作后能够从00秒到99秒周而复始的工作;能够通过按键控制秒表的暂停和继续计时;具备正计时和倒计时选择控制功能;倒计时状态下具备初值在线设定功能。
分析系统功能后可知，系统应当包含单片机模块、显示模块、键盘模块和时钟信号模块，时钟信号模块可以利用单片机内部集成的定时/计数器实现，所以只需要设置主机模块、显示模块和键盘模块即可。
3 工程创建与仿真
Proteus 8.2软件较之前版本的Proteus软件最大的区别在于将ISIS、ARES、代码窗口基于一体，可以在一个工程中实现电路设计、代码调试和PCB设计的完整过程。点击新建工程后，根据新建工程向导分别完成原理图、PCB图、固件以及编译器的选择。
3.1 原理图的绘制
在新创建的工程中，通过“原理图”标签进入ISIS原理图编辑环境，在软件左侧的元件模式工具栏中分别添加相应的元器件，元器件的查找支持多种模式，用户可按照器件大类、器件小类和生产商等三个层次进行器件查找和选择。查找到需要的器件后，双击器件，可将器件装入工程器件列表栏中。最后在原理图编辑环境中分别完成元件添加、编辑和连线等工作后，完成如图1所示的多功能秒表系统电路原理图绘制，电路绘制后可以通过电气规则检查功能进行电路完整性的电气规则检查。
3.2 代码编辑
原理图绘制检查结束后，就可以通过“源代码”标签进入代码编辑环境，在代码窗口中完成代码编辑后，通过构建菜单进行代码工程的构建。进行工程构建后，VSM Studio会输出相应的提示信息，用户可依照VSM Studio输出信息提示逐步完成代码修改、编辑和完善，直至VSM Studio输出信息提示为编译成功，通过编辑编译器的工作模式，可分别得到工程的*.OMF文件和*.HEX目标代码。特别值得一提的是，新的Proteus 8.2版本不仅内部集成了自己的ASM51编译器，还可调用外部编译器，如常见的Keil和IAR等编译器，程序调试非常方便。
3.3 电路和程序协同仿真程序编辑结束并且编译成功后，Proteus软件会自动把目标代码加载到单片机中，点击“开始仿真”按钮后，就可以进行电路图和代码的协同仿真和调试运行了。通常在程序调试时，不仅需要观察代码的运行情况，还需要观察原理图中器件的输入输出变化，从而分析程序的正确性。为此，Proteus软件提供了一个调试弹出模式控件，在仿真调试的过程中，可以将原理图中选定的一部分电路在VSM Studio页面中显示出来，可以非常方便地在调试窗口中同时查看程序和原理图，图2给出了使用调试弹出模式控件后进行程序调试效果图。
4 系统PCB设计
4.1 PCB设计准备
当原理图和代码协同仿真调试成功后，就可以进行系统的PCB设计，在设计系统PCB之前需要检查原理图元器件的封装情况，可以点击“设计浏览器”工具栏查看元件封装情况，只有所以器件的封装都正常后方可进行PCB设计。如果部分元件没有合适的元件封装，那么就需要给相应的器件创建或者安排相应的封装[9]。
4.2 元件封装创建
本次设计的多功能秒表中的多个按键和数码管就没有合适的封装可选择，因此需要自行进行按键的封装创建。具体的操作步骤为：选择二维方框图形模式(需要将层面设置为Top silk)，绘制出器件外形轮廓或者边框;添加相应类型和大小焊盘，并且编号;选择边框和焊盘单击鼠标右键进行封装，图3给出了制作完成后的数码管和键盘封装效果图。
4.3 电路板布局与布线
完成PCB设计的准备工作后，就可以通过“PCB布板”标签进入PCB设计环境，在放置元件之前，首先需要定义好电路板的形状和大小。对于本次设计的简单工程，只需要绘制一个矩形电路板边框即可。其基本步骤为：选择二维方框图形模式(需要将层面设置为Board Edge)，绘制出电路的边框;选择工具菜单栏中的自动布局菜单，完成器件的自动布局;通过手工布局优化器件布局效果;设置相应的布线规则(如电源或者地线设置不同宽度等);通过工具菜单栏中的自动布线工具进行布线;进行布线规则检查;电路板敷铜或者补泪滴等操作。
所有工作完成后，就可以生产系统PCB图的三维预览效果图和物料清单，完成PCB的设计，图4和图5分别给出了多功能秒表系统的PCB和三维预览图。
5 结语
目前，各种EDA工具种类繁多，在电子产品设计与制作中需要进行电路仿真和PCB设计，尤其电子产品涉及单片机等未处理器时，还需要对设计方案进行程序调试和仿真，因此，挑选合适的仿真软件是十分重要，笔者经过多年的电子工艺实训教学实践后，提出了基于Proteus软件的电子工艺实训辅助设计方法。
该方法有效减轻了学生要学习多种EDA软件的负担，在同一款软件中实现了设计、仿真、调试和PCB设计的完整设计任务，该方法经教学实践验证，在提高了设计效率、节约设计时间的同时，有效地降低了设计成本，值得借鉴和推广。
作者：兰建军 来源：电脑知识与技术 2016年2期
