虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建 電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)講座 主講人 李進(jìn)單位 青島科技大學(xué) 前言 在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)中 所遇到的最大困難是動(dòng)手能力的培訓(xùn) 雖然有各種實(shí)驗(yàn)板 實(shí)驗(yàn)箱 但都不能滿(mǎn)足千變?nèi)f化的設(shè)計(jì)要求 而且也不能滿(mǎn)足學(xué)生的要求 如何能使設(shè)計(jì)的方案盡快 盡量省錢(qián)的看到結(jié)果 是我們一直追求的目標(biāo) 為此 我們構(gòu)建虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室 隨時(shí)隨地都可以方便的進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn) Proteus軟件介紹 Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是由英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā) 授權(quán)我國(guó)風(fēng)標(biāo)公司為中國(guó)大陸的總代理 是目前世界上最先進(jìn) 最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) PROTEUS可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路 模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真 軟件仿真 系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設(shè)計(jì)等全部功能 PROTEUS軟件包已有近20年的使用歷史 在全球擁有龐大的企業(yè)用戶(hù)群 是目前惟一能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真 調(diào)試與測(cè)試的EDA工具 真正實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有目標(biāo)原形時(shí)就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 測(cè)試與驗(yàn)證 PROTEUS軟件包大大提高了企業(yè)的開(kāi)發(fā)效率 降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn) 由于PROTEUS軟件包逼真 真實(shí)的協(xié)同仿真功能 得到了包括劍橋在內(nèi)的眾多大學(xué)用戶(hù) 作為電子學(xué)或嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué) 實(shí)驗(yàn)和水平考試平臺(tái) Labcenter公司為支持大學(xué)進(jìn)行電子系統(tǒng)的教學(xué) 特別推出了大學(xué)優(yōu)惠計(jì)劃 充分降低教育機(jī)構(gòu)使用PROTEUS軟件包用于組建實(shí)驗(yàn)室或培訓(xùn)室的門(mén)檻 內(nèi)容提要 PROTEUS簡(jiǎn)介PROTEUSISIS原理圖輸入電路仿真與分析人性化測(cè)量方法高級(jí)電路設(shè)計(jì)與仿真微處理器系統(tǒng)仿真微處理器系統(tǒng)仿真概述微處理器系統(tǒng)仿真與分析第三方工具的應(yīng)用PROTEUS與Keil整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室PROTEUS綜合應(yīng)用 PROTEUS構(gòu)成 Proteus是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟 硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái) ISIS為功能強(qiáng)大的原理布線(xiàn)工具 ARESPCB設(shè)計(jì)為一PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng) ISIS智能原理圖輸入流程 設(shè)置編輯環(huán)境 用戶(hù)可自定義圖形外觀 包括線(xiàn)寬 填充類(lèi)型 字符等 原理圖連線(xiàn) 點(diǎn)擊元件引腳或者先前連好的線(xiàn) 就能實(shí)現(xiàn)連線(xiàn) 也可使用自動(dòng)連線(xiàn)工具連線(xiàn) 建立網(wǎng)絡(luò)表 網(wǎng)絡(luò)表是電路板與電路原理圖之間的紐帶 建立的網(wǎng)表用于PCB制板 報(bào)表輸出 材料報(bào)表 ERC報(bào)表等 741放大器電路 PTOTEUSVS仿真與分析 PROTEUSVSM中的整個(gè)電路分析是在ISIS原理圖設(shè)計(jì)模塊下延續(xù)下來(lái)的 原理圖中包含 直接布置在線(xiàn)路上的探針 電路激勵(lì) 虛擬儀器 曲線(xiàn)圖表 詳細(xì)內(nèi)容任何時(shí)候都能通過(guò)按下運(yùn)行按鈕或空格對(duì)電路進(jìn)行仿真 PROTEUSVSM有兩種截然不同的仿真方式 交互式仿真和基于圖表的仿真 交互式仿真檢驗(yàn)用戶(hù)所設(shè)計(jì)的電路是否能正常工作 交互式仿真圖基于圖表的仿真用來(lái)研究電路的工作狀態(tài)和進(jìn)行細(xì)節(jié)的測(cè)量 基于圖表的仿真PROTEUSVSM中的人性化測(cè)量 探針 電壓探針 Voltageprobes 即可在模擬仿真中使用 也可在數(shù)字仿真中使用 在模擬電路中記錄真實(shí)的電壓值 而在數(shù)字電路中 記錄邏輯電平及其強(qiáng)度 電流探針 Currentprobes 僅可在模擬電路中使用 并可顯示電流方向 探針既可用于基于圖表的仿真 也可用于交互式仿真中 激勵(lì)源 DC 直流電壓源 Sine 幅值 頻率 相位可控的正弦波發(fā)生器 Pulse 幅值 周期和上升 下降沿時(shí)間可控的模擬脈沖發(fā)生器 Exp 指數(shù)脈沖發(fā)生器 SFFM 單頻率調(diào)頻波信號(hào)發(fā)生器 Pwlin 任意分段線(xiàn)性脈沖 信號(hào)發(fā)生器 File File信號(hào)發(fā)生器 數(shù)據(jù)來(lái)源于ASCII文件 Audio 音頻信號(hào)發(fā)生器 DState 穩(wěn)態(tài)邏輯電平發(fā)生器 DEdge 單邊沿信號(hào)發(fā)生器 DPulse 單周期數(shù)字脈沖發(fā)生器 DClock 數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器 DPattern 模式信號(hào)發(fā)生器 模擬脈沖激勵(lì)源 用于為仿真分析產(chǎn)生各種周期輸入信號(hào) 包括方波 鋸齒波 三角波及單周期短脈沖 模擬脈沖信號(hào)輸出 指數(shù)脈沖激勵(lì)源 產(chǎn)生與RC充電 放電電路相同的脈沖波 指數(shù)信號(hào)輸出 單頻率調(diào)頻波激勵(lì)源 調(diào)頻波信號(hào)輸出 Pwlin信號(hào)激勵(lì)源 任意分段線(xiàn)性脈沖 信號(hào)發(fā)生器 Pwlin信號(hào)輸出 File信號(hào)激勵(lì)源 發(fā)生器的數(shù)據(jù)來(lái)源于ASCII文件 BAK文件信號(hào)輸出 音頻信號(hào)激勵(lì)源 使用WindowsWAV文件作為輸入文件 結(jié)合音頻分析圖表 可以聽(tīng)到電路對(duì)音頻信號(hào)處理后的聲音 音頻信號(hào)輸出 單周期數(shù)字脈沖激勵(lì)源 數(shù)字脈沖信號(hào)輸出 數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)激勵(lì)源 數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)輸出 數(shù)字模式信號(hào)激勵(lì)源 數(shù)字模式信號(hào)輸出 虛擬儀器 虛擬示波器 OSCILLOSCOPE 邏輯分析儀 LOGICANALYSER 定時(shí)計(jì)數(shù)器 COUNTERTIMER 虛擬終端 VIRUALTERMINAL SPI調(diào)試器 SPIDEBUGGER I2C調(diào)試器 I2CDEBUGGER 信號(hào)發(fā)生器 SIGNALGENERATOR 模式發(fā)生器 PATTERNGENERATOR 電壓表和電流表 AC DCvoltmeters ammeters 模式發(fā)生器 模式發(fā)生器編碼信號(hào) 調(diào)試端口輸出模式信號(hào) 虛擬終端 模式發(fā)生器編碼信號(hào) 虛擬終端輸出模式信號(hào) 信號(hào)發(fā)生器 調(diào)幅 正弦信號(hào)參數(shù) 調(diào)幅信號(hào)輸出 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置 曲線(xiàn)圖表 模擬圖表 ANALOGUE 數(shù)字圖表 DIGITAL 混合分析圖表 MIXED 頻率分析圖表 FREQUENCY 轉(zhuǎn)移特性分析圖表 TRANSFER 噪聲分析圖表 NOISE 失真分析圖表 DISTORTION 傅立葉分析圖表 FOURIER 音頻分析圖表 AUDIO 交互分析圖表 INTERACTIVE 一致性分析圖表 CONFORMANCE 直流掃描分析圖表 DCSWEEP 交流掃描分析圖表 ACSWEEP 基于轉(zhuǎn)移特性分析圖表的電路分析 數(shù)字分析圖表 用于繪制邏輯電平值隨時(shí)間變化的曲線(xiàn) 圖表中的波形代表單一數(shù)據(jù)位或總線(xiàn)的二進(jìn)制電平值 混合分析圖表 可以在同一圖表中同時(shí)顯示模擬和數(shù)字信號(hào)的波形 直流掃描分析 可以觀察電路元件參數(shù)值在用戶(hù)定義范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí) 對(duì)電路工作狀態(tài) 電壓或電流 的影響 如觀察電阻值 晶體管放大倍數(shù) 電路工作溫度等參數(shù)變化對(duì)電路工作狀態(tài)的影響 也可以通過(guò)掃描激勵(lì)元件參數(shù)值實(shí)現(xiàn)直流傳輸特性的測(cè)量 交流掃描分析可以建立一組反映元件在參數(shù)值發(fā)生線(xiàn)性變化時(shí)的頻率特性曲線(xiàn) 主要用來(lái)觀測(cè)相關(guān)元件參數(shù)值發(fā)生變化時(shí)對(duì)電路頻率特性的影響 交互式仿真 741放大電路 交互式電路仿真是電路分析的一個(gè)最重要的部分 輸入原理圖后 通過(guò)在期望的觀測(cè)點(diǎn)放置電流 電壓探針 或虛擬儀器 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕 即可觀測(cè)到電路的實(shí)時(shí)輸出 基于圖表的電路仿真與分析 741放大電路 頻率分析 用于繪制小信號(hào)電壓增益或電流增益隨頻率變化的曲線(xiàn) 即繪制波特圖 可描繪電路的幅頻特性和相頻特性 模擬分析 用于繪制一條或多條電壓或電流隨時(shí)間變化的曲線(xiàn) 基于圖表的電路仿真與分析 741放大電路 失真分析用于確定由測(cè)試電路所引起的電平失真的程度 失真分析圖表用于顯示隨頻率變化的二次和三次諧波失真電平 噪聲分析 顯示隨時(shí)間變化的輸入 輸出噪聲電壓 可產(chǎn)生單個(gè)元件的噪聲電壓清單 人性化測(cè)量方法 利用不同顏色電路連線(xiàn)顯示相應(yīng)電壓利用箭頭顯示電流方向 探針實(shí)時(shí)顯示電壓 電流值 暫停時(shí) 使用VirtualInstruments按鈕 可顯示元件參數(shù)信息 高級(jí)電路設(shè)計(jì) 子電路及模塊電路 在電路設(shè)計(jì)中 建立子電路 或模塊電路均可實(shí)現(xiàn)電路的層次化 特殊元件通過(guò)電路圖表表示為模塊 能夠任意設(shè)定層次 將模塊像標(biāo)準(zhǔn)元件或可設(shè)置或切除的界面斷口所在的特殊子電路塊一樣繪制出來(lái) 子電路 模塊電路 子電路F1電路原理圖 模塊電路VCO1電路原理圖 子電路或模塊電路均通過(guò)端口名稱(chēng)與主電路連接 PROTEUS微處理器系統(tǒng)仿真 在基于微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 即使沒(méi)有物理原型 ProteusVSM也能夠進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā) 模型庫(kù)中包含LCD顯示 鍵盤(pán) 按鈕 開(kāi)關(guān)等通用外圍設(shè)備 同時(shí) 提供的CPU模型有ARM7 PIC AtmelAVR MotorolaHCXX以及8051 8052系列 單片機(jī)系統(tǒng)的仿真是PROTEUSVSM的一大特色 同時(shí) 本仿真系統(tǒng)將源代碼的編輯和編譯整合到同一設(shè)計(jì)環(huán)境中 這樣使得用戶(hù)可以在設(shè)計(jì)中直接編輯代碼 并可容易的查看到用戶(hù)對(duì)源程序修改后對(duì)仿真結(jié)果的影響 VSM甚至能仿真多個(gè)CPU 它能便利處理兩個(gè)或以上微控制器的聯(lián)結(jié)與設(shè)計(jì) 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 原理圖輸入 ISIS支持總線(xiàn)結(jié)構(gòu) ProteusVSM能把微處理器和連接該微處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 建立源代碼文件 選擇代碼生成工具 建立新的源代碼文件 定義新的源代碼文件名稱(chēng) 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 源代碼文件與單片機(jī)的鏈接 源代碼編輯 源代碼編譯 鏈接 使用 HEX文件實(shí)現(xiàn)源程序與單片機(jī)的鏈接 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 交互式仿真 實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)輸出結(jié)果 實(shí)時(shí)顯示元器件引腳電平 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 彈出式窗口 源代碼窗口 提供了四種程序執(zhí)行命令按鈕 程序調(diào)試斷點(diǎn) 處理器程序計(jì)數(shù)器的當(dāng)前位置 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器窗口 SFR存儲(chǔ)器窗口 CPU寄存器窗口 觀測(cè)窗口 第三方工具的應(yīng)用 第三方代碼生成工具 Proteus許多共享匯編軟件或編譯器可從系統(tǒng)CD上安裝到ProteusTOOLS目錄下 并且會(huì)被自動(dòng)作為Proteus的代碼生成工具 第三方源代碼編輯器 PROTEUSVSM提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的源代碼文本編輯器SRCEDIT 用戶(hù)還可使用第三方源代碼編輯器 如UltraEdit 第三方IDE 用戶(hù)可使用第三方IDE 如IAR sEmbeddedWorkbench Keil suVision2 Microchip sMP LAB和Atmel sAVRstudio開(kāi)發(fā)源代碼 并進(jìn)行編輯 生成可執(zhí)行文件 如HEX或COD文件 后切換到ProteusVSM 然后進(jìn)行仿真 PROTEUS與Keil整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室 PROTEUS特點(diǎn) Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù) 在Proteus軟件中 理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用 除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外 Proteus還可以以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示線(xiàn)路上變化的信號(hào) 虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo) 可減少儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 Proteus提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試 這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) Keil特點(diǎn) 全功能的源代碼編輯器 器件庫(kù)用來(lái)配置開(kāi)發(fā)工具設(shè)置 項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)用戶(hù)的項(xiàng)目 集成的MAKE工具可以匯編 編譯和連接用戶(hù)嵌入式應(yīng)用 所有開(kāi)發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話(huà)框形式的 真正的源代碼級(jí)的對(duì)CPU和外圍器件的調(diào)試器 高級(jí)GDI AGDI 接口用來(lái)在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor 51進(jìn)行通信 PROTEUS與Keil聯(lián)調(diào) Keil處于運(yùn)行狀態(tài) PROTEUS同時(shí)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài) PROTEUS綜合應(yīng)用1 基于AT89C52的模糊控制算法的溫控儀設(shè)計(jì) 采用Pt100溫度傳感器 測(cè)溫范圍0 100 系統(tǒng)可設(shè)定溫度值 設(shè)定溫度值與測(cè)量溫度值可實(shí)時(shí)顯示 控溫精度 0 5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示 鉑電阻測(cè)溫調(diào)理電路 A D接口電路 顯示電路 控制電路 系統(tǒng)總圖 仿真結(jié)果 輸出控制信號(hào)占空比 設(shè)定溫度為55 實(shí)際溫度為54 時(shí) 系統(tǒng)輸出的功率信號(hào)設(shè)定溫度為55 實(shí)際溫度為53 時(shí) 系統(tǒng)輸出的功率信號(hào) 輸出控制信號(hào)占空比 設(shè)定溫度為55 實(shí)際溫度為40 時(shí) 系統(tǒng)輸出的功率信號(hào) PROTEUS綜合應(yīng)用2 基于AT90S8515的頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) HS1101組成的頻率發(fā)生電路 AT90S8515頻率測(cè)量 采用串行通信方式 將頻率值傳輸?shù)接?jì)算機(jī) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示 HS1101構(gòu)建的頻率發(fā)生電路 HS1101構(gòu)建的頻率發(fā)生電路的輸出結(jié)果圖 測(cè)頻電路總圖 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 其它方面的應(yīng)用 在教學(xué)中的應(yīng)用在學(xué)生課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在科研中的應(yīng)用 詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn) 基于PROTEUS的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 北航出版社2006年4月下旬正式出版 參考書(shū) 參考書(shū) 以上內(nèi)容有不當(dāng)之處 敬請(qǐng)各位同仁指正 青島科技大學(xué)李進(jìn)2010年7月18日