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虛擬單片機實驗室的構建 電子設計競賽培訓講座 主講人 李進單位 青島科技大學 前言 在電子設計競賽培訓中 所遇到的最大困難是動手能力的培訓 雖然有各種實驗板 實驗箱 但都不能滿足千變?nèi)f化的設計要求 而且也不能滿足學生的要求 如何能使設計的方案盡快 盡量省錢的看到結果 是我們一直追求的目標 為此 我們構建虛擬單片機實驗室 隨時隨地都可以方便的進行單片機實驗 Proteus軟件介紹 Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是由英國Labcenter公司開發(fā) 授權我國風標公司為中國大陸的總代理 是目前世界上最先進 最完整的嵌入式系統(tǒng)設計與仿真平臺 PROTEUS可以實現(xiàn)數(shù)字電路 模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設的混合電路系統(tǒng)的電路仿真 軟件仿真 系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設計等全部功能 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)用戶群 是目前惟一能夠對各種處理器進行實時仿真 調(diào)試與測試的EDA工具 真正實現(xiàn)了在沒有目標原形時就可對系統(tǒng)進行調(diào)試 測試與驗證 PROTEUS軟件包大大提高了企業(yè)的開發(fā)效率 降低了開發(fā)風險 由于PROTEUS軟件包逼真 真實的協(xié)同仿真功能 得到了包括劍橋在內(nèi)的眾多大學用戶 作為電子學或嵌入式系統(tǒng)的課程教學 實驗和水平考試平臺 Labcenter公司為支持大學進行電子系統(tǒng)的教學 特別推出了大學優(yōu)惠計劃 充分降低教育機構使用PROTEUS軟件包用于組建實驗室或培訓室的門檻 內(nèi)容提要 PROTEUS簡介PROTEUSISIS原理圖輸入電路仿真與分析人性化測量方法高級電路設計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用PROTEUS與Keil整合構建單片機虛擬實驗室PROTEUS綜合應用 PROTEUS構成 Proteus是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟 硬件設計仿真平臺 ISIS為功能強大的原理布線工具 ARESPCB設計為一PCB設計系統(tǒng) ISIS智能原理圖輸入流程 設置編輯環(huán)境 用戶可自定義圖形外觀 包括線寬 填充類型 字符等 原理圖連線 點擊元件引腳或者先前連好的線 就能實現(xiàn)連線 也可使用自動連線工具連線 建立網(wǎng)絡表 網(wǎng)絡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 報表輸出 材料報表 ERC報表等 741放大器電路 PTOTEUSVS仿真與分析 PROTEUSVSM中的整個電路分析是在ISIS原理圖設計模塊下延續(xù)下來的 原理圖中包含 直接布置在線路上的探針 電路激勵 虛擬儀器 曲線圖表 詳細內(nèi)容任何時候都能通過按下運行按鈕或空格對電路進行仿真 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 交互式仿真檢驗用戶所設計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研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量 基于圖表的仿真PROTEUSVSM中的人性化測量 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的電壓值 而在數(shù)字電路中 記錄邏輯電平及其強度 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)頻波信號發(fā)生器 Pwlin 任意分段線性脈沖 信號發(fā)生器 File File信號發(fā)生器 數(shù)據(jù)來源于ASCII文件 Audio 音頻信號發(fā)生器 DState 穩(wěn)態(tài)邏輯電平發(fā)生器 DEdge 單邊沿信號發(fā)生器 DPulse 單周期數(shù)字脈沖發(fā)生器 DClock 數(shù)字時鐘信號發(fā)生器 DPattern 模式信號發(fā)生器 模擬脈沖激勵源 用于為仿真分析產(chǎn)生各種周期輸入信號 包括方波 鋸齒波 三角波及單周期短脈沖 模擬脈沖信號輸出 指數(shù)脈沖激勵源 產(chǎn)生與RC充電 放電電路相同的脈沖波 指數(shù)信號輸出 單頻率調(diào)頻波激勵源 調(diào)頻波信號輸出 Pwlin信號激勵源 任意分段線性脈沖 信號發(fā)生器 Pwlin信號輸出 File信號激勵源 發(fā)生器的數(shù)據(jù)來源于ASCII文件 BAK文件信號輸出 音頻信號激勵源 使用WindowsWAV文件作為輸入文件 結合音頻分析圖表 可以聽到電路對音頻信號處理后的聲音 音頻信號輸出 單周期數(shù)字脈沖激勵源 數(shù)字脈沖信號輸出 數(shù)字時鐘信號激勵源 數(shù)字時鐘信號輸出 數(shù)字模式信號激勵源 數(shù)字模式信號輸出 虛擬儀器 虛擬示波器 OSCILLOSCOPE 邏輯分析儀 LOGICANALYSER 定時計數(shù)器 COUNTERTIMER 虛擬終端 VIRUALTERMINAL SPI調(diào)試器 SPIDEBUGGER I2C調(diào)試器 I2CDEBUGGER 信號發(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 調(diào)試端口輸出模式信號 虛擬終端 模式發(fā)生器編碼信號 虛擬終端輸出模式信號 信號發(fā)生器 調(diào)幅 正弦信號參數(shù) 調(diào)幅信號輸出 信號發(fā)生器參數(shù)設置 曲線圖表 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間變化的曲線 圖表中的波形代表單一數(shù)據(jù)位或總線的二進制電平值 混合分析圖表 可以在同一圖表中同時顯示模擬和數(shù)字信號的波形 直流掃描分析 可以觀察電路元件參數(shù)值在用戶定義范圍內(nèi)發(fā)生變化時 對電路工作狀態(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)變化對電路工作狀態(tài)的影響 也可以通過掃描激勵元件參數(shù)值實現(xiàn)直流傳輸特性的測量 交流掃描分析可以建立一組反映元件在參數(shù)值發(fā)生線性變化時的頻率特性曲線 主要用來觀測相關元件參數(shù)值發(fā)生變化時對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最重要的部分 輸入原理圖后 通過在期望的觀測點放置電流 電壓探針 或虛擬儀器 點擊運行按鈕 即可觀測到電路的實時輸出 基于圖表的電路仿真與分析 741放大電路 頻率分析 用于繪制小信號電壓增益或電流增益隨頻率變化的曲線 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間變化的曲線 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 顯示隨時間變化的輸入 輸出噪聲電壓 可產(chǎn)生單個元件的噪聲電壓清單 人性化測量方法 利用不同顏色電路連線顯示相應電壓利用箭頭顯示電流方向 探針實時顯示電壓 電流值 暫停時 使用VirtualInstruments按鈕 可顯示元件參數(shù)信息 高級電路設計 子電路及模塊電路 在電路設計中 建立子電路 或模塊電路均可實現(xiàn)電路的層次化 特殊元件通過電路圖表表示為模塊 能夠任意設定層次 將模塊像標準元件或可設置或切除的界面斷口所在的特殊子電路塊一樣繪制出來 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端口名稱與主電路連接 PROTEUS微處理器系統(tǒng)仿真 在基于微處理器系統(tǒng)的設計中 即使沒有物理原型 ProteusVSM也能夠進行軟件開發(fā) 模型庫中包含LCD顯示 鍵盤 按鈕 開關等通用外圍設備 同時 提供的CPU模型有ARM7 PIC AtmelAVR MotorolaHCXX以及8051 8052系列 單片機系統(tǒng)的仿真是PROTEUSVSM的一大特色 同時 本仿真系統(tǒng)將源代碼的編輯和編譯整合到同一設計環(huán)境中 這樣使得用戶可以在設計中直接編輯代碼 并可容易的查看到用戶對源程序修改后對仿真結果的影響 VSM甚至能仿真多個CPU 它能便利處理兩個或以上微控制器的聯(lián)結與設計 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 原理圖輸入 ISIS支持總線結構 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 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 源代碼文件與單片機的鏈接 源代碼編輯 源代碼編譯 鏈接 使用 HEX文件實現(xiàn)源程序與單片機的鏈接 微處理器系統(tǒng)仿真與分析 交互式仿真 實時顯示系統(tǒng)輸出結果 實時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 處理器程序計數(shù)器的當前位置 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器窗口 SFR存儲器窗口 CPU寄存器窗口 觀測窗口 第三方工具的應用 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 并且會被自動作為Proteus的代碼生成工具 第三方源代碼編輯器 PROTEUSVSM提供了一個簡明的源代碼文本編輯器SRCEDIT 用戶還可使用第三方源代碼編輯器 如UltraEdit 第三方IDE 用戶可使用第三方IDE 如IAR sEmbeddedWorkbench Keil suVision2 Microchip sMP LAB和Atmel sAVRstudio開發(fā)源代碼 并進行編輯 生成可執(zhí)行文件 如HEX或COD文件 后切換到ProteusVSM 然后進行仿真 PROTEUS與Keil整合構建單片機虛擬實驗室 PROTEUS特點 Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫 在Proteus軟件中 理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用 除了現(xiàn)實存在的儀器外 Proteus還可以以圖形的方式實時地顯示線路上變化的信號 虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標 可減少儀器對測量結果的影響 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試 這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號 Keil特點 全功能的源代碼編輯器 器件庫用來配置開發(fā)工具設置 項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目 集成的MAKE工具可以匯編 編譯和連接用戶嵌入式應用 所有開發(fā)工具的設置都是對話框形式的 真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器 高級GDI AGDI 接口用來在目標硬件上進行軟件調(diào)試以及和Monitor 51進行通信 PROTEUS與Keil聯(lián)調(diào) Keil處于運行狀態(tài) PROTEUS同時進入運行狀態(tài) PROTEUS綜合應用1 基于AT89C52的模糊控制算法的溫控儀設計 采用Pt100溫度傳感器 測溫范圍0 100 系統(tǒng)可設定溫度值 設定溫度值與測量溫度值可實時顯示 控溫精度 0 5 系統(tǒng)結構圖如圖所示 鉑電阻測溫調(diào)理電路 A D接口電路 顯示電路 控制電路 系統(tǒng)總圖 仿真結果 輸出控制信號占空比 設定溫度為55 實際溫度為54 時 系統(tǒng)輸出的功率信號設定溫度為55 實際溫度為53 時 系統(tǒng)輸出的功率信號 輸出控制信號占空比 設定溫度為55 實際溫度為40 時 系統(tǒng)輸出的功率信號 PROTEUS綜合應用2 基于AT90S8515的頻率測量系統(tǒng)的設計 HS1101組成的頻率發(fā)生電路 AT90S8515頻率測量 采用串行通信方式 將頻率值傳輸?shù)接嬎銠C 系統(tǒng)結構如圖所示 HS1101構建的頻率發(fā)生電路 HS1101構建的頻率發(fā)生電路的輸出結果圖 測頻電路總圖 系統(tǒng)仿真結果圖 其它方面的應用 在教學中的應用在學生課程設計及畢業(yè)設計中的應用在科研中的應用 詳細內(nèi)容參見 基于PROTEUS的單片機系統(tǒng)設計與仿真 北航出版社2006年4月下旬正式出版 參考書 參考書 以上內(nèi)容有不當之處 敬請各位同仁指正 青島科技大學李進2010年7月18日