嵌入式系統虛擬實驗仿真平臺設計探討

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摘要：文章介紹了一個基于Proteus和Arduino的嵌入式系統虛擬實驗仿真平臺。詳細地描述了其硬件設計原理和基于該實驗平臺實現的實驗例程。該平臺可用于計算機專業相關課程的實驗或案例教學，以解決課程的線上實踐教學的難題。另外在缺少硬件實驗平臺的條件下，也有助于初學者提高基于Arduino的嵌入式系統相關技術的學習效果。

關鍵詞：硬件虛擬仿真；Proteus；Arduino；實驗平臺

嵌入式系統硬件虛擬仿真實驗平臺不僅可以滿足肺炎疫情期間線上實踐教學的需求，也可滿足在沒有硬件實驗平臺的條件下，嵌入式技術的自主學習。因此，開展嵌入式硬件虛擬仿真技術研究，設計與實現硬件實驗虛擬仿真平臺的意義是不言而喻的。本文基于英國LabCenterElectronics公司的EDA工具軟件Proteus，通過二次開發，首先完成嵌入式系統多種常用外設模塊的仿真模型設計，并將其集成到Pro－teus的元件庫中。在此基礎上，設計和實現了一個滿足基于Arduino的嵌入式系統的實驗（踐）虛擬仿真平臺，并基于該平臺開發了相應的實驗例程和系統案例，以滿足嵌入式系統硬件技術的線上教學、培訓和無真實實驗環境下的自主學習的需求，同時還可降低嵌入式人才培養的門檻。基于Arduino的嵌入式實驗平臺的設計理念，源于嵌入式系統硬件設計越來越趨向于模塊化，即在核心板或最小系統的基礎上，外擴包括各種傳感器、人機交互、輸入輸出設備等多種模塊。選擇Arduino板作為核心控制器，就是由于開源創客平臺Arduino屏蔽了硬件的復雜性，具有平臺資源豐富、成本低、支持的模塊眾多、開發簡單、上手快等優勢[1]。Proteus軟件雖然功能強大，但Proteus的電路計算并不是十分的精確，只能進行粗略的計算[2]，元件庫的更新狀況存在落后的情況，很多器件都沒有同步更新，故在實驗時經常需要手動搭載所需器件，并且對于初學者來說難度更大，而在搭建不同嵌入式系統時，需要多種外設模塊，故需要包括對常用外設模塊進行抽象、封裝、擴充元件庫等二次開發，才能滿足嵌入式技術的虛擬仿真學習需求。

1虛擬仿真實驗平臺總體設計

本文以最常用的ArduinoMega2560板最小系統為核心，結合Proteus提供的器件庫中封裝的多種元器件和自主設計的仿真電路模塊，設計與實現了一個虛擬仿真實驗平臺，具體包括直流電機、步進電機和舵機，按鍵、顯示器、溫濕度傳感器、超聲測距電路、三色燈、蜂鳴器、光敏電阻和電位器等電路。基于該平臺可開設多種類型的實驗，只需連接實驗所需相應的模塊或電路即可。目前已完成的實驗包括以下幾類：（1）人機界面實驗。包括按鍵、鍵盤輸入、液晶顯示、八段數碼管顯示等實驗，可完成參數輸入、數字、字符顯示等功能。（2）電機實驗。包括直流電機控制與測速實驗、步進電機控制實驗、舵機控制實驗等。（3）呼吸燈。可實現紅綠藍三色燈的漸變呼吸控制，可模擬景觀燈的控制場景。（4）光強檢測。通過光敏電阻APDS-9002可對光強進行測量，可模擬實現窗簾自動控制等智能家居應用場景。（5）溫濕度檢測。通過元件庫中封裝好的溫濕度傳感器DHT11，可實現周圍環境溫濕度的檢測與顯示。（6）倒車雷達。利用自主設計的超聲測距仿真模塊，模擬超聲測距模塊SR04的功能，實現倒車雷達的模擬應用系統。

2仿真實驗平臺硬件設計

仿真實驗平臺整體布局如圖1所示。本節給出了所設計的幾個關鍵模塊的設計原理圖。

2.1顯示電路

顯示電路包括液晶和數碼管兩部分，為了盡可能節省2560的引腳資源，液晶顯示電路以器件LM061L為核心，結合74164串轉并器件及與門、非門等門電路，設計與實現了一個串行接口的液晶顯示器。所需占用的Ar－duino數字接口由10個降到3個，其電路原理圖如圖2所示。

2.2按鍵電路

按鍵電路有兩種類型，電路如圖3所示。右邊是簡單的4個按鍵原理圖，占用了Arduino的4個數字接口；左邊是一個4*4的矩陣鍵盤；共占用Arduino的8個數字接口。

2.3超聲測距電路

SR04是目前常用的超聲測距模塊，廣泛應用于需要測距的多種領域[3]。由于元件庫中沒有封裝好的SR04模塊，圖4的電路采用555定時器、LM358運放、MPS6531三極管和RV2電位器等模擬實現了SR04的工作原理，其中IO2模擬SR04的TRIG引腳，IO3模擬ECHO引腳。

2.4電機電路

圖5給出了步進電機、直流電機、蜂鳴器及驅動電路。其他電路包括DHT11、光敏電阻、三色燈、電位器、舵機等，可直接調用元件庫中的器件。

3結束語

肺炎疫情期間的教學實踐表明：基于Proteus和Arduino的虛擬實驗仿真平臺，圓滿地支撐了嵌入式課程硬件相關實驗，取得了很好的效果。同時也解決了學生沒有硬件實驗環境下，自主學習硬件接口技術的難題，降低了嵌入式技術的學習門檻。另外也由于Proteus平臺的引入，系統運行結果可直接演示，使得實驗結果更加直觀、形象，激發了學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]李蘭英，韓劍輝，曲中水，等.嵌入式及物聯網基礎實驗系統[J].中國現代教育裝備，2019（13）：15-17+23.

[2]劉德全.Proteus8-電子線路設計與仿真（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2017.

[3]李蘭英，韓劍輝，周昕.基于Arduino的嵌入式系統入門與實踐[M]．北京：人民郵電出版社，2020.

作者：肖亮 李蘭英 劉書赫 汪明曌 單黎瀟 單位：哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院