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Proteus-与单片机实时动态仿真.pdf.pdf

Proteus-与单片机实时动态仿真.pdf.pdf

上传者: 用户3310593277 2013-12-08 评分1 评论0 下载0 收藏0 阅读量587 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《Proteus-与单片机实时动态仿真.pdfpdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含http:wwwpapereducnProteus与单片机实时动态仿真施柏鑫北京邮电大学信息工程学院()Email:boxinshiieeeorg摘符等。

http:wwwpapereducnProteus与单片机实时动态仿真施柏鑫北京邮电大学信息工程学院()Email:boxinshiieeeorg摘要:Proteus是一款功能强大的EDA仿真软件。它拥有丰富的库元件尤其是动态外设的仿真极大地补充了其他仿真软件的不足虚拟工具箱的引入为仿真测试提供了方便。本文以AVR单片机为例具体分析了该软件在仿真微处理器方面的独到之处展示了其广阔的应用前景。关键词:Proteus仿真实时动态AVR单片机引言Proteus是由英国Labcenterelectronics公司开发的EDA工具软件。它从年出现到现在已经有十多年的历史在全球广泛使用。Proteus安装以后主要由两个程序组成:Ares和Isis。前者主要用于PCB自动或人工布线及其电路仿真后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。除了上述基本应用之外Proteus革命性的功能在于它的电路仿真是互动的针对微处理器的应用可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程并实现软件代码级的调试还可以直接实时动态地模拟按钮、键盘的输入LED、液晶显示的输出同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。Proteus软件的应用范围十分广泛涉及PCB制版、spice电路仿真、单片机仿真在最新的版本中又加入了对ARMLPC的仿真。本文主要以单片机的仿真为例使大家初步了解该软件的强大功能及其在工程实践和实验教学中的重要作用。Proteus仿真功能简介作为一款EDA仿真软件Proteus与同类软件有着很多的相似之处。相比之下其主要的特点有两个:一是对动态元件的实时仿真它对“人机对话”的模拟增强了系统的真实性二是虚拟工具箱的功能它能与仿真同时进行测量方便而准确。下面着重介绍一下该软件的这两个突出特点。实时动态仿真与多数仿真软件相似Proteus有着数量庞大的元件库。Labcenter公司与相关的第三方软件阵容共同开发了多个模拟和数字电路中常用的spice模型以及各种动态元件基本元件如电阻、电容、各种二极管、三极管、MOS管、定时器等系列TTL元件和系列CMOS元件存储芯片包括各种常用的ROM,RAMEEPROM,还有常见IC器件等。在丰富的库元件的支持下原理布图时只要进行相应的调用和连线通过对每个元件的属性设置完成绘图然后即可进行仿真和虚拟测量。关于原理图的具体绘制方法不是本文讨论的重点请参考软件提供的帮助教程。与Multisim等仿真软件的一大不同在于Proteus支持微处理器的仿真。这些仿真的实现是基于Labcenter公司提出的VSM的概念。VSMVirtualSystemModelling直接译作“虚拟系统模型”官方的定义是:将spicehttp:wwwpapereducn电路模型、动态外设以及微处理器的仿真结合起来在物理原型调试之前用于仿真整个单片机系统的一种设计方法。对动态外设的支持是Proteus在区别于其他等仿真软件最直接的地方。VSM为用户提供了一个实时交互的环境在仿真的过程中你可以用鼠标去点击开关和按钮微处理器根据输入的信号做出相应的中断响应同时输出运算的结果到显示终端。整个过程与真实的硬件调是极其相似的在动态外设支持下的实时输入和输出为实验者呈现了一个最接近现实的调试环境。官方资料显示一个MHzPentiumIICPU可以以MHz的时钟频率仿真一个基本的系统。虚拟工具箱Proteus的虚拟工具箱提供了电路测试中的常用工具和仪器主要用于在实时仿真同时的电路参数观测测量结果随仿真动态变化并显示可以满足精度要求不是很高的测量分析对于电路特性的定性分析可以起到事半功倍的效果大大节约了测试时间和开发成本。软件提供的虚拟工具和仪器如图所示。图虚拟工具箱下面我们以示波器为例来说明虚拟工具箱的应用。http:wwwpapereducn图虚拟示波器图中的电路非常简单单片机EXAMPLE中写入的是一方波的程序。我们把输出管脚连接到示波器的CH通道运行器的Y轴幅度和X轴扫描频率整个调节步骤同真实的示波器以观测到一个占空比可调的PWM方波如图所示。Proteus在单片机仿真中的应用基于VSM的理论Proteus可以仿真很多常用的微处理器。AVR,HC,ARMLPC等系列多种型号的微处理器、微控件属性时指定下载程序的路径即可进行实时动态仿真。Proteus对AVR单片机的仿真就Atmel公司的AVR系列单片机而言Proteus支持的型号非常全面从低端ATtiny到高端的ATmega均有可以直接调用的库元件。下面以ATmega为例介绍Proteus支持的仿真功能。图是Proteus中的ATmega库元件其管脚上的标识与该芯片的Datasheet是基本一致的唯一的不同是隐去了GND和VCC管脚在绘制原理图的时候可以不用对其进行连接系统默认的设置就是将它们分别连到地和V电源上。具体可以仿真的功能有:支持所有的IO操作内部的定时器、计数器的模拟(包括输入捕获、输出比较、PWM模式)看门狗定时器串行UART接口主、从模式串行SPI接口支持内置数模转换ADC支持Atmel的TWI(Two个输出驱动直流电机的PWM仿真用鼠标调节虚拟示波完全一样。当波形稳定时可具体来讲它支持PIC,,制器仿真时只需在设定元图ATmegahttp:wwwpapereducnWireInterface)通信方式存贮器方面支持外部SRAM扩展以及内置EEPROM的模拟支持多个微控制器的协同工作仿真等等。仿真时首先绘制原理图然后将任何AVR源程序编译器(WinAVR等)生成的下载文件(*hex格式)路径指定给原理图中的芯片就可以观察程序的运行。另外值得一提的是实时仿真运行的过程中每个管脚的旁边会出现一个小正方形的指示红色代表高电平蓝色带表低电平从这个小正方形我们可以不用虚拟工具的测量很直观的看到每个管脚的电平变化对程序的运行做出最基本的判断对于简单的分析可以节省很多的时间。在本文图和图的例子中ATmega的管脚输出的是方波所以旁边可以看到一个红蓝交替、以一定频率闪烁的小正方形。Proteus与其他单片机仿真软件的比较AVR系列单片机可以可用很多的软件进行仿真。常用的有AVRStudio和Vmlab。AVRStudio、Vmlab和Proteus都属于代码级的仿真软件与芯片级仿真不同代码级仿真完全在计算机上完成不需要硬件的参与主要用于查看代码的执行过程和参数变化。在具体功能上这三款软件各有千秋。AVRStudio是一款完全免费的AVR单片机集成开发环境包括AVRAssembler编译器和AVRStudio调试功能AVRProg串行、并行下载功能和JtagICE仿真功能。它最主要的功能是观察代码执行过程中单片机内部各个寄存器值的变化尤其是一些寄存器关键位的置位、复位操作与代码的关系。利用单步调试功能可以更细致的检查代码的执行过程。对于内部的定时中断也可以较好的仿真使实验者清楚了解中断对于整个程序流程的影响。但是对于外部中断和输入捕获等需要动态外设配合的功能AVRStudio就显得无能为力了。同时该软件使用黑色、白色的方块来表示和用以反映寄存器值的变化当需要观察某些波形时这样的仿真结果显得很不直观。Vmlab在这方面要做得好一些。VMLAB的全称为:VisualMicroLab。它针对于AVR以及ST系列单片机设计是一个单片机的虚拟原型框架。它具有强大的多窗口、多文件的编辑器微控制器的集成开发环境拥有一系列的集成开发工具图形界面调试器混合模式的模拟数字电路仿真器代码质量检查器等等。硬件和应用软件能进行并发仿真。与Proteus最为相似的一点是它可以以单片机为核心仿真出包括模拟元器件在内的一些动态外设(按键LED液晶显示器等)具有图形显示和波形显示的功能。如果就单片机及一些简单的动态外设而言Vmlab和Proteus有着很大的相似最多只是软件本身的操作方法有着很大的不同。但是Proteus不仅仅是一个AVR单片机的仿真软件它所支持的大量常用芯片模型为单片机和其他芯片协同仿真复杂的完整系统提供了极大的方便。请看下面的例子如图所示。http:wwwpapereducn图步进电机驱动这是一个完整的步进电机驱动电路L和L是常用的步进电机驱动芯片前者用于产生符合电机各个相位正确时序的方波后者主要用于电流放大为电机产生合适的驱动电流。单片机EXAMPLE在本例中只相当于一个信号源提供L的时钟信号。这样完整的系统仿真是其他单片机仿真软件所不能独立完成的。这时Proteus为我们提供的不仅仅是一个单片机的仿真环境称其为一个虚拟的单片机实验室是完全合适的只要我们能充分的利用Proteus提供的实验器件就可以完成一个比较完整的单片机系统。Proteus仿真实例分析单片机、矩阵键盘和字符型液晶的组合是单片机实验中最常用的简单系统之一是很多最小系统板的核心部分。在开发实际的单片机系统时“人机对话”部分主要靠这个系统来实现。在编写这部分程序时要进行频繁的测试从而更改一些参数使系统达到良好的工作状态常见的问题有:显示界面的布局、菜单层次的设置、按键灵敏度和防抖的参数等。有了下面介绍的Proteus仿真这些测试和一些经验值的调整就可以不需要进行频繁的硬件测试了而只需要改动源程序中的一些函数调用。这个系统可以稍加改动轻松应用于其他各类系统的输入和输出部分具有普遍意义。字符型液晶简介该显示模块由字符型液晶显示屏(LCD)控制驱动主电路HD及其扩展驱动电路HD少量阻、容元件结构件等装配在PCB板上而成。液晶显示屏是以若干个或点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位字符间距和行距都为一个点的宽度。该字符型LCD具有字符发生器ROM可显示种字符(个点阵字符和个点阵字符)具有个字节的自定义字符RAM可自定义个点阵字符或四个点阵字符。且具有个字节的RAM。可以分两行、每一行显示个ASCII字符足以应付简单用户界面(主要由数字和英文字母组成)的开发和系统参数的显示。*矩阵键盘*矩阵键盘有行列,键盘上有*=个按键,而它只需要占用=个IO口这样的设计大大节省了单片机宝贵的IO口资源。单片机提供一定频率的扫描信号并对用户的按键值进行分析和处理达到正确判断个按键的目的。对于一般的单片机系统个http:wwwpapereducn按键足以满足多数应用的需求。因此它可以作为很多系统的按键输入工具。系统综合分析根据以上的分析以及各器件的工作原理绘制系统原理图。图液晶和键盘综合应用单片机EXAMPLE是这个系统的核心下载的程序是液晶和键盘的驱动。其中PCPC分别连接液晶的三个控制使能端通过它们的译码组合来实现液晶读写指令和数据的控制。PBPB连接液晶的八位数据端负责控制命令和读写字符的数据传输。PAPA是输出端连接键盘的列输出列扫描信号PAPA是输入端连接键盘的行捕捉用户的按键作为行信号通过行列信号的组合可以唯一确定个按键之一从而供单片机处理。图中模拟的情况是液晶的第一行显示预置的字符串信息“BUPTInformation”第二行第一列显示当前的按键值此时鼠标按下了数字健“”。当鼠标按下其他的健时液晶的显示会同步更新这就是Proteus实时动态仿真的神奇之所在!结语本文所介绍的只是Proteus强大功能中很初步的一部分。Proteus还具有环境模拟、图表分析、噪声分析等高级应用。Proteus软件的安装目录中有很多经典的范例读者通过自学可以进一步了解该软件在EDA设计的各个领域的综合应用。同时Proteus的出现也为单片机教学工作和单片机虚拟实验室的建设提供了一条方便、快捷、节约成本的新思路。相信随着越来越多的人对Proteus的了解和使用它会对我们的学习、科研和工作带来越来越多的便利。(指导教师:郭莉)http:wwwpapereducn参考文献http:wwwlabcenterscouk黄任《AVR单片机与CPLDFPGA综合应用入门》北京:北京航空航天大学出版社ProteusandtheDynamicRealtimeSimulationforAVRMCUSHIBoxin(SchoolofInformationEngineeringBeijingUniversityofPostsandTelecommunicationsBeijing)AbstractProteusisakindofpowerfulEDAsimulationsoftwareThelargedevicelibraryandthedynamicperipheralsarethespecialadvantageofthissoftwareThevirtualinstrumentbringsgreatconveniencetothesimulationprocessThisarticletakesthesimulationofAVRMCUasanexample,analyzestheuniquefunctionofProteusinthesimulatingofmicroprocessorsandshowsitsapplicationinvariousfieldsKeywords:ProteusSimulationRealtimeDynamicAVR作者简介:施柏鑫男年月出生。北京邮电大学信息工程学院信息安全专业本科生年入学年进入北京邮电大学信息工程学院创新实验室学习电子技术主要研究AVR系列单片机的应用。年月参加“全国大学生电子设计大赛”获北京市二等奖。年注册了IEEEstudentmemberEmail:boxinshiieeeorg。Abstract

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