摘要：闡述了單片機(jī)仿真軟件Proteus動(dòng)態(tài)仿真的基本特性，與同類軟件相比Proteus包含了更多的元器件模型庫和虛擬工具箱，仿真更具有實(shí)時(shí)性，更便于觀察單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。給出了矩陣顯示控制和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)例。

關(guān)鍵詞：Proteus；單片機(jī)；動(dòng)態(tài)仿真

1 引言

單片機(jī)由于功能強(qiáng)、可靠性高和體積小、價(jià)格低等特點(diǎn)，在智能儀器儀表、機(jī)電一體化產(chǎn)品、工業(yè)測(cè)控、家用電器等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。各院校機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、應(yīng)用電子技術(shù)等工科專業(yè)中都開設(shè)了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程。而這門課程的教學(xué)使上課的老師感到棘手，費(fèi)了很大的精力，但收到的效果不佳，學(xué)生學(xué)起來也感到吃力，故而缺乏積極性和主動(dòng)性。在教學(xué)過程中利用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，會(huì)起到事半功倍的效果，本文主要以單片機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真為例，使大家初步了解該軟件的強(qiáng)大功能及其在工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用。

2 Proteus 仿真功能簡(jiǎn)介

Proteus 是英國(guó)Labcenter electronics 公司開發(fā)的EDA工具軟件， 與同類軟件有著很多的相似之處。相比之下，其主要的特點(diǎn)有兩個(gè)：一是對(duì)動(dòng)態(tài)元件的實(shí)時(shí)仿真，它對(duì)“人機(jī)對(duì)話”的模擬增強(qiáng)了系統(tǒng)的真實(shí)性；二是虛擬工具箱的功能，它能與仿真同時(shí)進(jìn)行，測(cè)量方便而準(zhǔn)確。

2.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真

與多數(shù)仿真軟件相似，Proteus有著數(shù)量龐大的元件庫，包含6000多個(gè)模擬和數(shù)字電路中常用的spice模型以及各種動(dòng)態(tài)元件，基本元件如電阻、電容、各種二極管、三極管、MOS 管、555 定時(shí)器等；74 系列TTL 元件和4000 系列CMOS 元件；存儲(chǔ)芯片包括各種常用的ROM、RAM、EEPROM、還有常見I2C 器件等。在豐富的庫元件的支持下，原理布圖時(shí)只要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用和連線，通過對(duì)每個(gè)元件的屬性設(shè)置完成繪圖，然后即可進(jìn)行仿真和虛擬測(cè)量[1]。

基于Labcenter 公司提出的VSM （“虛擬系統(tǒng)模型”）的概念，Proteus支持微處理器的仿真，將spice電路模型、動(dòng)態(tài)外設(shè)以及微處理器的仿真結(jié)合起來，在物理原型調(diào)試之前對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)仿真。仿真的過程中，只需用鼠標(biāo)去點(diǎn)擊開關(guān)和按鈕，微處理器根據(jù)輸入的信號(hào)做出相應(yīng)的中斷響應(yīng)，同時(shí)輸出運(yùn)算的結(jié)果到顯示終端。整個(gè)過程與真實(shí)的硬件調(diào)試是極其相似的，在動(dòng)態(tài)外設(shè)支持下的實(shí)時(shí)輸入和輸出為實(shí)驗(yàn)者呈現(xiàn)了一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)的調(diào)試環(huán)境。

2.2虛擬工具箱

Proteus 的虛擬工具箱提供了電路測(cè)試中的常用工具和儀器，如圖1 所示。主要用于在實(shí)時(shí)仿真同時(shí)的電路參數(shù)觀測(cè)，測(cè)量結(jié)果隨仿真動(dòng)態(tài)變化并顯示，對(duì)于電路特性的定性分析可以起到事半功倍的效果，大大節(jié)約了測(cè)試時(shí)間和開發(fā)成本。

3 Proteus 在單片機(jī)動(dòng)態(tài)仿真中的應(yīng)用

基于VSM 的理論，Proteus 可以仿真很多常用的微處理器。具體來講，它支持PIC， 8051，AVR， HC11， ARM7/LPC2000 等系列多種型號(hào)的微處理器，仿真時(shí)只需在設(shè)定元件屬性時(shí)指定下載程序的路徑即可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真[1]。

3.1單片機(jī)系統(tǒng)的Proteus設(shè)計(jì)與仿真流程

Proteus強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真功能，使它可成為單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)和改進(jìn)手段之一，全部過程都是在計(jì)算機(jī)上通過PROTEUS來完成的，其過程一般可分為三步[2]：

Proteus電路設(shè)計(jì)：在ISIS平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、選擇元器件、插接件、連接電路和電氣檢測(cè)。

Proteus源程序設(shè)計(jì)：在ISIS平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、編輯、匯編編譯、代碼級(jí)調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件（.*hex）。

Proteus實(shí)時(shí)仿真：在ISIS平臺(tái)上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互、協(xié)同仿真，它在相當(dāng)程度上反應(yīng)了實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3. 2 Proteus 仿真實(shí)例分析

圖2給出了AT89C51單片機(jī)控制8×8矩陣式方向指示控制的Proteus仿真原理圖。

圖2中8×8矩陣LED用箭頭的形式簡(jiǎn)單指示某一方向，三片74LS595為串并轉(zhuǎn)換芯片，分別用于矩陣式LED行列信號(hào)控制，單片機(jī)AT89C51為74LS595提供轉(zhuǎn)換控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，仿真結(jié)果非常逼真。

圖3給出了ARM單片機(jī)LPC2124驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的Proteus仿真原理圖。

這是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)可以通過DIGITAL ANALYSIS可以觀察有關(guān)信號(hào)的波形，仿真效果接近于工程應(yīng)用實(shí)際。KEY1和KEY2分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；L297 和L298用于產(chǎn)生符合電機(jī)各個(gè)相位正確時(shí)序的方波及合適的驅(qū)動(dòng)電流。單片機(jī)LPC2124 在本例中只相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，提供L297 的時(shí)鐘信號(hào)。這樣完整的系統(tǒng)仿真是其他單片機(jī)仿真軟件所不能獨(dú)立完成的。這時(shí)，Proteus 為我們提供的不僅僅是一個(gè)單片機(jī)的仿真環(huán)境，稱其為一個(gè)虛擬的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室是完全合適的，只要我們能充分的利用Proteus 提供的實(shí)驗(yàn)器件就可以完成一個(gè)比較完整的單片機(jī)系統(tǒng)。

4結(jié)束語

本文所介紹的只是Proteus 強(qiáng)大功能中很初步的一部分，Proteus 還具有環(huán)境模擬、圖表分析、噪聲分析等高級(jí)應(yīng)用。Proteus 的出現(xiàn)為單片機(jī)教學(xué)工作和單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了一條方便、快捷、節(jié)約成本的新思路。相信隨著越來越多的人對(duì)Proteus 的了解和使用，它會(huì)對(duì)我們的學(xué)習(xí)、科研和工作帶來更多的便利。

參考文獻(xiàn)

[1] 張靖武，周靈彬編著.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真.--北京：電子工業(yè)出版社，2007.4

[2] 周潤(rùn)景，袁偉亭編著.基于PROTEUS的ARM虛擬開發(fā)技術(shù).--北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.1

[3] 于永，戴佳，常江編著.51單片機(jī)C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講.--北京：電子工業(yè)出版社.，2007.4

[4] 王曉明編著.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.--北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.5

[5] 朱善君，孫新亞，吉吟東編著.單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用.--北京：清華大學(xué)出版社，2005.3