报告编码：
安阳师范学院本科学生毕业设计报告
基于Proteus的虚拟实验室建立
作 者 齐军芳
系（院） 物理与电气工程学院
专 业 电子信息工程
年 级 2007 级专升本
学 号 071851057
指导教师 丁电宽
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日 期 2009.06.15
学生诚信承诺书
本人郑重承诺：所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研
究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的
地方外，报告中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为
获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我
一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说
明并表示了谢意。
签名： 日期：
报告使用授权说明
本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定，即：
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学校有权保留送交报告的复印件，允许报告被查阅和借阅；学校可以公
布报告的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存报
告。
签名： 导师签名： 日期：
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基于Proteus的虚拟实验室建立
齐军芳
(安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455002)
摘 要：本文以学校单片机课程的实验教学为背景,较为全面地阐述
基于Proteus软件仿真的单片机虚拟实验室只需配置有限的硬件设备，就
能够很好地解决资金和设备维护问题的建设方案，为精品课程的建立、
教改项目打下基础。本设计所采用的大量仿真实验是在软件环境中实现
的，利用 Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室，解决了传统单片
机教学中以理论为主、实践少的问题，使得每个学生都可以拥有自己的
“实验室”。
关键词：虚拟实验室；Proteus；Keil；单片机；仿真
1.概述
1.1 虚拟实验室的介绍
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虚拟实验室(Virtuallaboratory)，亦称为“合作实验室
(Collaboratory)”，最早在1989年由美国University of Virginia 的
William Wulf 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环
境。所谓的虚拟实验室就是以计算机网络为核心，利用鼠标的点击、拖
动，将微机上各种虚拟仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验
系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括元件的添加、实验条件的
改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。
虚拟实验室是一种特别的、分布式解决问题的环境，是提供给用户
的一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，
是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是
除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。目前，有关虚拟
实验室的定义主要有两种：(1) 指在计算机系统中采用虚拟现实技术实
现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预
定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中
所取得的效果。(2) 指一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场
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所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用
户可以通过增加新的物体，建立新的实验并把它们转换成超文本文件来
扩充实验室。这两种定义侧重不同方向，但都指出了虚拟实验室本质是
一个无墙实验室，通过计算机网络系统远程控制与交互系统，研究人员
或学生将不受时空限制，能随时随地进行拟实验操作，共享仪器设备，
共享数据和计算机资源，进行协作或得到远程指导等。
虚拟实验室的组件一般包含以下几部分：实验虚拟原形、应用程序
特定信息的数据库、连接到网络上的科学设备、互相合作的工具，基于
模拟、数据的分析、发现和简化以及数据可视化等软件和对网络带宽的
需求。虚拟实验室有验证型、测试型、设计型、纠错型、创新型等多种
类型，本文主要介绍基于Proteus单片机虚拟实验室的建立。
1.2 国内外现状
虚拟实验室的研究和应用得到许多研究机构及软件供应商的重视，
国内外有代表性的有[3～5]：
(1) 虚拟工程/科学实验室。该虚拟实验室是由 Johns Hop2kins 大
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学建立,基于WWW
(World Wide Web)面向教育的工程/科学实验环境，可完成逻辑电路、
两节机器手控制热传递过程、声波传播过程、桥梁设计等多种实验。
(2) 环境与分子科学协作机构。提供一个协同工作环境，并且可远
程使用核磁共振(NMR)频谱仪。
(3) 远程实验环境。实时参与在General Atomics的DIIID托卡马克
进行的实验。
(4) 医学协作机构。通过X射线照片及超声影像进行的同步或异步远
程咨询。
(5) 德国Ruhr大学网络虚拟实验室。该实验室是一个有关控制工程
的学习系统，它通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设
备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作。国内虚拟实验室的建设
这几年也得到了迅速的发展，最具代表性的是一些著名大学开发出的远
程教学虚拟实验室，涉及物理、化学、生物、医学等多门学科。
1.3 虚拟实验室的特点
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(1) 成本低
虚拟实验室基于虚拟原型技术，即利用VR在可视化方面的强大优势
以及可交互地探索虚拟物体的功能，对对象进行几何、功能、制造等方
面交互的建模与分析。
(2) 效率高
虚拟实验室省去了大量的基于物理原型实验的简单劳动，使用者集
中精力研究实验对象本身的特性和规律，还可充分利用计算机优势，使
虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习功能，从而可帮助使用者迅速掌
握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高了学习和
研究效率。
(3) 功能全
虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全，并易于升级换代和增加
新品种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪表不全而影响实验的问
题。
(4) 协作性
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在协同虚拟环境技术下，可实现合作实验、远程实验、协同研究等。
1.4 虚拟实验室的发展趋势
虚拟实验室的发展趋势主要有以下三个[1～3]:
(1) 虚拟实验室的人—机界面目前多采用WIMP技术，即以窗口、图
符、菜单、指向为特点的人—机界面技术。引入虚拟现实技术和自然人
工场景技术，使用数字化仿真工具，可使操作者与虚拟仿真环境有着全
面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感，用户使用虚拟原型交
互仿真界面对虚拟原型进行操作。
(2) 提高虚拟实验室“自适应性”。“自适应”是指生物变更自己
的习性以适应新的环境的一种特征。直观地说，“自适应实验”即指能
修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成
一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习
环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息，并能自动改善其性能。
(3) 增加协作性。科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作
是实验过程中一个至关重要的环节，因此基于协作虚拟原型的协同设计
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方法将成为协同设计实现的一种重要思路。
2.Proteus平台简介
2.1 Proteus介绍
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司的EDA工具
软件，由ISIS和ARES两个软件构成，是一个电子设计的教学平台、实
验平台和创新平台，涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、单片机
应用实验室等的全部功能。
其功能是将电路仿真和微处理器仿真进行协调，直接在基于原
理图的虚拟原型上进行处理器编程调试，并进行功能验证，通过动态器
件(如电机、LED、开关等)，配合系统配置的虚拟仪器(如示波器、信号
发生器等)，可实时看到运行后的输入输出的效果，其主要特点如下[1～4]：
(1) 可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，其支持Pillips
公司系列的ARM(LPC系列)，Proteus的仿真是基于SPICE3F5的，因此
它也能像其它的EDA软件那样进行电路分析，如模拟分析、数字分析、
混合信号分析、频率分析等等；
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(2) 提供了虚拟示波器、信号发生器、计数器、逻辑分析仪、
电表、Virtual Terminal等虚拟仪器仪表供选择；
(3) 能够进行SCH(原理图)和PCB(印刷板)电路的设计；
(4) 其自身只带汇编编译器，不支持C语言。但可以将它与Keil、
ADS集成开发环境连接，将用汇编和C语言编写的程序编译好之后，可
以立即进行软、硬件结合的系统仿真，达到很好的仿真效果。
Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU
的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的
工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单
片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和
电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥
补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
2.2 Proteus软件所提供的资源
（1）Proteus软件所提供的元件资源
Proteus软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数