單片機原理及接口技術(shù)第九章

1、單片機原理及接口技術(shù)華中科技大學(xué)出版社2013-21第9章 Proteus虛擬仿真設(shè)計9.1 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，它實現(xiàn)了從原理圖設(shè)計、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真，可一鍵切換到PCB設(shè)計，實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。Proteus軟件包括兩部分，第一部分為Proteus VSM（Virtual System Modelling）;第二部分為Proteus PCB Design Package，即Proteus印刷電路板設(shè)計包。442Proteus VSMProteus VSM組合了混合模式SPIC

2、E電路仿真、動畫器件及微處理器模型，可以實現(xiàn)完整的基于微控制器設(shè)計的協(xié)同仿真。Proteus軟件第一次使得在物理原型被構(gòu)建之前進行開發(fā)及測試設(shè)計成為可能。使用Proteus虛擬系統(tǒng)模型（VSM）工具，可以改變產(chǎn)品的設(shè)計周期，從而降低開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品投入市場時間。443傳統(tǒng)開發(fā)過程使用Proteus VSM開發(fā)過程4449.2 智能原理圖輸入系統(tǒng)ISISISIS（Intelligent Schematic Input System,智能原理圖輸入系統(tǒng)）Proteus ISIS是一個易于使用、具有強大編輯功能的電路設(shè)計工具，其原理圖捕獲既支持電路仿真又支持PCB設(shè)計。用于Proteus VSM測

3、試的設(shè)計可以使用PCB設(shè)計工具或第三方工具產(chǎn)生網(wǎng)表。ISIS也有較強的繪圖控制能力，如可對線寬、填充風(fēng)格、字體等進行自定義。445ISIS的主要特點豐富的器件庫：超過10000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：連接導(dǎo)線簡單快捷，具備快速自動連線功能；支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線，做到電路設(shè)計簡明清晰；可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙，可以供WORD、Powerpoint等多種文檔使用。446電路仿真 ( ProSPICE )Proteus VSM 的核心為ProSPICE，這是一個組合了S

4、PICE3f5模擬仿真內(nèi)核及基于快速事件驅(qū)動的數(shù)字仿真器以提供無縫混合仿真的產(chǎn)品?；赟PICE 內(nèi)核可以使用戶使用數(shù)目眾多的制造廠家提供的SPICE 模型，目前該軟件包已包含約35000個仿真器件。Proteus可實現(xiàn)電路仿真設(shè)計、PCB設(shè)計和虛擬模型仿真的三合一設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051，68000，Z80，HC11，PIC1012161824DSPIC33，AVR，ARM，8086，MSP430，TMS320等，可編譯匯編語言，同時支持IAR，Keil和MPLAB等多種編譯器。447Proteus軟件資源豐富，除上文提到的一系列的微控制器外，庫中還有成千上萬的無源的、TTL/CM

5、OS、存儲器等標準器件模型，包含有30多個元件庫。儀表資源有：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、交直流電壓表、交直流電流表等；Proteus VSM還配備了大量的嵌入式外圍器件模型庫，例如8155、8255、8250、8259、直流/步進/伺服電機、以太網(wǎng)控制芯片等。448Proteus印刷電路板設(shè)計所有的Proteus PCB 設(shè)計包包括了一個集成的基于形狀的自動布線器及一個基礎(chǔ)的SPICE仿真器作為標配，更高級的布線模式包含在Proteus PCB Design Level 2/2+/3里，產(chǎn)品以不同的級別方式提供，它們提

6、供了不同級別的功能設(shè)計能力。在Proteus原理圖設(shè)計完成后，一鍵便可進入ARES（高級布線編輯軟件）的PCB設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。449Proteus印刷電路板特點先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設(shè)計更為合理；最多可設(shè)計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），禁止布線區(qū)，阻焊區(qū)及錫膏覆蓋區(qū)；靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動設(shè)計規(guī)則檢查；3D 可視化預(yù)覽；可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導(dǎo)入或?qū)С觯奖闩c其它PCB設(shè)計工具的互轉(zhuǎn)（如protel）和PCB板的設(shè)計和加工。4509.

7、2 Proteus ISIS原理圖設(shè)計與仿真在完成軟件安裝后，Proteus程序菜單會出現(xiàn)在電腦的開始菜單及桌面上，雙擊桌面上的 圖標，即可進入智能原理圖輸入系統(tǒng)，主要包括標題欄、菜單欄、標準工具欄、繪圖工具欄、預(yù)覽窗口、元件列表窗口、對象方向控制欄、電路圖編輯窗口、仿真控制按鈕及狀態(tài)欄等。451Proteus ISIS菜單欄Proteus ISIS菜單欄Proteus ISIS繪圖工具欄Proteus軟件的工具欄包括標準工具欄與繪圖工具欄兩個大部分。其中，標準工具欄中包含了一些文件處理常用的工具、屏幕縮放以及與元件PCB封裝相關(guān)的一些工具；而繪圖工具欄則包含了模式選擇工具以及普通字符曲線繪制

8、工具。452Proteus ISIS繪圖工具欄 模式選擇工具： Selection Mode:普通光標選擇模式。Component Mode:元件選取模式。Junction Dot Mode:放置連接點。Wire Label Mode:網(wǎng)絡(luò)標號放置模式。Text Script Mode:腳本放置模式。Buses Mode:繪制總線模式。Subcircuit Mode:子電路繪制模式。453配件工具： Terminals Mode：終端對象選擇模式。Device Pins Mode：器件引腳繪制工具。Graph Mode：仿真圖表工具箱，對象選擇列出各種仿真分析所需的圖表。Tape Record

9、er Mode：錄音機工具，對設(shè)計電路分割仿真時采用此模式。Generator Mode：信號發(fā)生器工具箱，對象選擇列出各種激勵源。Voltage Probe Mode：電壓探針，可顯示各探針處的電壓值。Current Probe Mode：電流探針，可顯示各探針處的電流值。Virtual Instruments Mode：虛擬儀器工具箱，對象選擇列出各種虛擬儀器。4542D圖形工具： 2D Graphics Line Mode：繪制各種直線。2D Graphics Box Mode：繪制各種方框。2D Graphies Circle Mode：繪制各種圓形。2D Graphics Arc M

10、ode：繪制各種圓弧。2D Graphics Closed Path Mode：繪制各種多邊形。2D Graphics Text Mode：繪制各種文本。2D Graphics Symbols Mode:繪制符號。2D Graphics Markers Mode:繪制坐標原點。455方向工具： Rotate Clockwise:順時針旋轉(zhuǎn)90o。Rotate Anti-Clockwise:逆時針旋轉(zhuǎn)90o。X-Mirror:水平翻轉(zhuǎn)。Y-Mirror:垂直翻轉(zhuǎn)。456仿真工具欄： Play:運行。Step:單步運行。Pause:暫停。Stop:停止。457Proteus ISIS原理圖編輯（1

11、）新建設(shè)計并存儲文件打開Proteus ISIS界面，選擇File-New Design或者單擊標準工具欄上的 圖標新建一個設(shè)計文件，然后按照自行定義名稱及路徑將文件存儲到磁盤上。Proteus軟件存儲的文件后綴是DSN。（2）選取元件單擊元件列表上的按鈕 或者直接按鍵盤P鍵，就會彈出元件選擇窗口（Pick Devices）。另外的一種選擇元器件的方法是在Kewords編輯框中輸入所需元件的型號等關(guān)鍵內(nèi)容，Proteus會自動在元件庫中搜索，并在Results窗口中顯示與關(guān)鍵詞相匹配的元件名稱及相關(guān)參數(shù)描述信息。458Proteus ISIS原理圖編輯（3）放置元件在元件列表窗口中，單擊要放置

12、的元器件，在編輯窗口中單擊一下，此時鼠標處有一個紅色的元器件虛影跟隨鼠標移動，在合適的位置再單擊一下鼠標左鍵，就可以放置一個元器件，單擊右鍵或按Esc鍵可以取消元件的放置。459Proteus ISIS原理圖編輯（4）選中元件用鼠標左鍵單擊元件可以選中元件。該操作將使元件呈高亮顯示。選中元件后可以對其進行編輯等操作。選中元件時該元件上所有垂連線全部被選中。對于活動的器件，如開關(guān)Button等，如要選中可單擊鼠標左鍵，拖出一個框，并將該元器件全部框住，便可選中。要選中一組元件，可以通過按下Ctrl鍵，然后依次選中要選擇的元件。也可以通過左鍵拖出一個框的方式，但只有完全位于框內(nèi)的元件才能被選中。4

13、60Proteus ISIS原理圖編輯（5）刪除元件用鼠標選中元件后，可以按Delete鍵刪除元件；或者在要刪除的對象上單擊鼠標右鍵，在彈出的下拉式菜單中選擇Delete Object選項；或者在元件上連續(xù)雙擊右鍵即可刪除元件。（6）調(diào)整元件方向根據(jù)電路設(shè)計的要求，元件的方向往往需要進行旋轉(zhuǎn)設(shè)置。旋轉(zhuǎn)元件可選擇在元件放置到圖形編輯窗口前進行，也可以在放置到圖形編輯窗口后再進行。461Proteus ISIS原理圖編輯（7）編輯元件用鼠標雙擊對象，彈出編輯對話框，可以通過對話框?qū)ο髮傩赃M行編輯。在元器件比較集中的地方，可以將鼠標移至對象上方，然后按Ctrl+E快捷鍵，打開Edit Compon

14、ent對話框，或者將鼠標移到對象上方，單擊右鍵，在彈出的下拉菜單中選擇Edit Properties選項。462Proteus ISIS原理圖編輯（8）編輯網(wǎng)絡(luò)標簽元件、端點和連線都可以像元件一樣進行編輯操作。使用網(wǎng)絡(luò)標號，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標號之間是相互連接的。原理圖中的導(dǎo)線具有電氣連接意義。在產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表時，Proteus是根據(jù)導(dǎo)線或網(wǎng)絡(luò)標號的連接完成的。原理圖中的總線不具有電氣特性，總線的作用在于提示、指引用戶快速找到導(dǎo)線中相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)標號的位置。463Proteus ISIS原理圖編輯（9）電氣規(guī)則檢查當電路原理圖繪制完成，需要進行電氣規(guī)則檢查，選擇Tools菜單-Electrical Rule C

15、heck，Proteus會對原理圖進行電氣規(guī)則檢查并給出檢查報告，包括設(shè)計文件名稱、存放路徑、版本號、作者、創(chuàng)建時間、修改時間、電氣規(guī)則錯誤提示信息等，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)提示信息對電路原理圖進行修改，直至無錯誤信息。464Proteus ISIS單片機系統(tǒng)仿真過程（1）在ISIS平臺上進行單片機系統(tǒng)電路設(shè)計、選擇元器件、接插件、連接電路并進行電氣規(guī)則檢查等。（2）利用第三方開發(fā)工具或ISIS提供的編輯環(huán)境進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)源程序設(shè)計、編輯、編譯、代碼級調(diào)試并生成目標代碼文件（*.hex）。（3）在ISIS平臺上將目標代碼文件加載到單片機系統(tǒng)中，并實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的實時交互、協(xié)同仿真。ISIS仿真在

16、相當程度上反映了實際單片機系統(tǒng)的運行情況。465Proteus與Keil聯(lián)合調(diào)試軟硬件聯(lián)合仿真系統(tǒng)由一個硬件執(zhí)行環(huán)境和一個軟件執(zhí)行環(huán)境組成，通常軟件環(huán)境和硬件環(huán)境都有自己的除錯和控制界面，Keil與Proteus的整合調(diào)試可以實現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，在該系統(tǒng)中，Keil作為軟件調(diào)試界面，Proteus作為硬件仿真和調(diào)試界面，在keil中調(diào)用Proteus進行MCU外圍器件的仿真步驟如下：466Proteus與Keil聯(lián)合調(diào)試1.正確安裝安裝Keil uVision4 與 Proteus.2.安裝vdmagdi插件，該插件可實現(xiàn)與Keil的聯(lián)調(diào)，需要注意的是安裝vdmagdi插件時要正確選擇Keil的安

17、裝路徑。3.打開Proteus，畫出電路原理圖，在Proteus的debug菜單中選中use remote debug monitor。4.在Keil軟件中編寫MCU的程序，在Keil軟件上單擊Project-Options for Target選項。默認的Debug設(shè)置為Use Simulator，現(xiàn)在需要修改設(shè)置。在右欄上部的下拉菜單里選中“Proteus VSM Simulator”。4679.3 Proteus應(yīng)用實例9.3.1 花樣流水燈設(shè)計設(shè)計任務(wù)及思路本設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計一個8位流水燈，彩燈點亮過程如下：第一輪顯示時，首先點亮左側(cè)一個彩燈，然后點亮第2個，第3個，直到第8個，從而完

18、成一次由左至右點亮的過程，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；第二輪顯示時，首先點亮左側(cè)2個燈，然后點亮第2、3兩個，然后3、4兩個，直到最右側(cè)兩個燈點亮移出，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；第三輪顯示時，首先點亮左側(cè)3個燈，然后點亮2、3、4三個燈，然后3、4、5三個，直到最右側(cè)三個燈點亮移出，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；三輪過后，返回第一輪顯示并且循環(huán)下去。468硬件設(shè)計本設(shè)計硬件電路比較簡單，主要由單片機和LED顯示電路組成。單片機P1口引腳經(jīng)反向驅(qū)動器接LED的負極，LED正極通過限流電阻接到電源上。當需要點亮某個彩燈時，應(yīng)使與之連接的單片機引腳輸出高電平，硬件原理圖如圖9.3.1所示。46

19、9470程序設(shè)計471仿真調(diào)試按照9.2.6介紹的方法，在Keil C中建立工程，輸入程序，進行編譯、連接；在Proteus軟件中雙擊AT89C51單片機，在彈出的屬性編輯框中為單片機加載.Hex程序，在Keil軟件中選擇DebugStart Debug啟動Keil與Proteus的聯(lián)調(diào)，我們可以把Keil軟件和Proteus軟件的界面拖動到合適大小以方便調(diào)試工作，如圖9.3.5所示。4724739.3.2 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)及思路道路路口有很多種類型，如丁字路口、十字路口燈。相應(yīng)的，交通燈有3方向控制、4方向控制燈類型，本書介紹一種4方向交通控制系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計任務(wù)如下：十字路口按方

20、位可以分為東、南、西、北四個方向，每一個方向上，對于車輛而言，有直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三種通行方式；而對于行人而言，只有通行或不能通行兩種情況。474硬件設(shè)計（1）總體方案設(shè)計根據(jù)以上的設(shè)計任務(wù)與思路分析可知，此交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)包含有單片機、交通指示燈、數(shù)字顯示器、按鍵等幾個部分，系統(tǒng)框圖如圖9.3.6所示。475（2）單片機電路設(shè)計在本書中，單片機采用Atmel公司的AT89C51進行仿真設(shè)計。由于交通燈控制系統(tǒng)中有車輛指示燈、行人指示燈、通行時間顯示器以及設(shè)置按鍵燈控制對象，因此，單片機設(shè)計時，應(yīng)合理考慮各控制對象的引腳分配。本書利用P1口和P3口連接交通指示燈，P0口和P2口引腳連接控制通行時

21、間顯示器，P2口的部分引腳連接設(shè)置按鍵。476AT89C51引腳分配表引腳連接設(shè)備說明P1.4左轉(zhuǎn)指示燈南北P1.5直行指示燈南北P1.6黃燈南北P3.0通行指示燈南北人行道P1.3等待指示燈南北人行道P1.0左轉(zhuǎn)指示燈東西P1.1直行指示燈東西P1.2黃燈東西P3.1通行指示燈東西人行道P1.7等待指示燈東西人行道P0LED數(shù)據(jù)總線P2.0P2.5LED位選信號P2.6P2.7按鍵鍵盤477（3）交通燈電路設(shè)計交通指示燈有車輛指示燈與行人指示燈兩類，顏色有紅色、綠色和黃色三種。仿真設(shè)計采用發(fā)光二極管作為指示燈。每一種指示燈僅一個控制信號，因此，單片機的控制信號一端接綠燈，再通過反相器接紅燈，

22、可方便實現(xiàn)該種（左轉(zhuǎn)或直行）指示燈紅燈與綠燈的轉(zhuǎn)換。478（4）通行時間顯示電路設(shè)計目前實際使用的交通燈控制系統(tǒng)中通行時間一般都是兩位數(shù)字，即顯示的數(shù)據(jù)都是099以內(nèi)，因此，本設(shè)計中采用了2位七段數(shù)碼管來完成顯示功能。這里采用的是兩位一體的共陰極七段數(shù)碼管。單片機P0口作為數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)基本輸出通道，P0.0P0.7分別連接到數(shù)碼管的七個字段位a、b、c、d、e、f、g、dp。P2.0P2.5引腳作為數(shù)碼管顯示電路的位選信號。479P2.0P2.5引腳作為數(shù)碼管顯示電路的位選信號。其中P2.0、P2.1分別控制南北方向通行時間顯示數(shù)碼管的十位和個位選通口，P2.2、P2.3分別控制東西方向通行

23、時間顯示數(shù)碼管的十位和個位選通口。系統(tǒng)還提供了一個擴展的數(shù)碼管顯示器，使用P2.4和P2.5作為位選信號，配合按鍵電路可擴展系統(tǒng)功能，例如設(shè)置和調(diào)整系統(tǒng)通行時間。480軟件設(shè)計（1）系統(tǒng)功能分析能以兩位數(shù)顯示4個方向的通行時間，并可通過按鍵調(diào)整通行時間；通行時間分兩段顯示，一段為左轉(zhuǎn)通行時間，一段為直行通行時間，且顯示的時間以倒數(shù)方式進行；在通行指示燈工作時，顯示器能正確顯示各段通行剩余時間；南北方向的顯示情況相同，東西方向的顯示情況相同；481當南北方向通行時，東西方向應(yīng)當亮紅燈，同理東西方向通行時，南北方向亮紅燈，當由南北通行變?yōu)闁|西通行或者東西通行變?yōu)槟媳蓖ㄐ袝r，黃燈指示燈亮；南北方向先

24、左轉(zhuǎn)指示燈亮綠燈，然后左轉(zhuǎn)指示燈亮紅燈，直行指示燈亮綠燈，同時人行道亮綠燈，之后直行指示燈人行道指示燈亮紅燈，南北方向黃燈亮，之后變?yōu)闁|西方向通行。482（2）程序流程系統(tǒng)程序包括主程序、通行時間顯示中斷服務(wù)程序、通行指示燈任務(wù)處理程序、按鍵處理程序等。483系統(tǒng)調(diào)試在Proteus中完成電路原理圖設(shè)計，在Keil軟件中輸入系統(tǒng)程序，編譯后生成.hex文件，然后在Proteus中加載進行聯(lián)合調(diào)試。系統(tǒng)仿真如圖。4849.3.3數(shù)字電壓表設(shè)計1.設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)要求測量8路05V的直流電壓，并在四位LED數(shù)碼管上輪流顯示各路電壓的測量值，其中第一位LED數(shù)碼管顯示路數(shù)，后三位顯示測量電壓，顯示范圍為0.00V5.00V。8路用數(shù)字表示分別為07，測量誤差為0.02V。4852.硬件設(shè)計（1）總體方案設(shè)計根據(jù)以上的設(shè)計任務(wù)與思路分析可知，此直流電壓表系統(tǒng)應(yīng)包含有單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路、4位LED顯示器等，系統(tǒng)框圖如圖9.3.15所示。486（2）單片機電路設(shè)計單片機采用Atmel公司的AT89C51進行仿