趙月靜，張永弟，翟衛(wèi)賀

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

1 Proteus 仿真軟件

Proteus 軟件是英國(guó)Labcenter electronics 公司研發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，是目前最好的單片機(jī)及外圍器件仿真工具［1］。Proteus 軟件提供了30多個(gè)元件庫(kù)，近8 000 個(gè)數(shù)字和模擬元件模型(包括各種單片機(jī)、常用邏輯電路)，各種調(diào)試工具，測(cè)試儀器，顯示設(shè)備，虛擬儀器，調(diào)試信號(hào)等［2］。它由智能仿真輸入系統(tǒng)ISIS (Intelligent Simulation Input System)和ARES (Advanced Range Editing Software)兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中ISIS 是原理圖編輯與仿真軟件，ARES 是布線編輯軟件［3－4］。

利用Proteus 可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用電路的仿真，包括模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)外圍電路、RS232 接口、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤(pán)和LCD 等單元的仿真。該軟件不但可以模擬硬件系統(tǒng)，而且可以把編譯好的程序代碼裝入仿真元件中，對(duì)軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，效果就像在焊接好的電路板上一樣看到系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果［5－6］。真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖設(shè)計(jì)、硬件電路分析和仿真、軟件調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證，到形成印刷電路板PCB (Print Circuit Board)文件的完整研發(fā)過(guò)程。

2 Keil C 軟件

Keil C μVision4 是一款基于51 單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)工具，提供了強(qiáng)大的項(xiàng)目管理功能，可以十分方便地進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)。其中的C 語(yǔ)言部分稱為C51。C51 根據(jù)51 單片機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ANSI(American National Standard Institute)C 進(jìn)行了若干擴(kuò)展。在語(yǔ)法和庫(kù)函數(shù)方面存在稍許差別，但大部分是兼容的［7］，C51 和匯編語(yǔ)言一樣可直接訪問(wèn)51 系列單片機(jī)的硬件資源。μVision4 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE－(Integrated Develop Environment)包括項(xiàng)目管理器、程序編輯器、Cx51編譯器、Ax51 宏匯編、BL51/Lx51 連接定位器、RTX51 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、Simulator 軟件模擬器以及Monitor51 硬件目標(biāo)調(diào)試器等功能模塊［7］，并且支持匯編語(yǔ)言編程，還可以使用匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言混合編程。其最大優(yōu)勢(shì)在于具有強(qiáng)大的仿真功能，可進(jìn)行硬件和純軟件仿真。

采用Keil C μVision4 開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序的基本方法如下［7］:

1)在Keil C μVision4 集成環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目(project)，并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)型號(hào)。一個(gè)項(xiàng)目可以包含多個(gè)文件，除源程序文件外還可以有庫(kù)文件或文本說(shuō)明文件。

2)利用Keil C μVision4 的文件編輯器編寫(xiě)C語(yǔ)言(或匯編語(yǔ)言)源程序文件，并將文件添加到項(xiàng)目中去。

3)通過(guò)Keil C μVision4 的各種選項(xiàng)，配置Cx51 編譯器、Ax51 宏匯編、BL51/Lx51 連接定位器以及Debug 調(diào)試器的功能。

4)利用Keil C μVision4 的構(gòu)造(Build)功能對(duì)項(xiàng)目中的源程序文件進(jìn)行編譯鏈接，生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件。如果出現(xiàn)編譯鏈接錯(cuò)誤則返回2)步，修改源程序中的錯(cuò)誤后重新構(gòu)造整個(gè)項(xiàng)目。

5)將沒(méi)有錯(cuò)誤的目標(biāo)代碼裝入μVision4 調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后用編程器將可執(zhí)行文件寫(xiě)入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器或單片機(jī)內(nèi)部的Flash Rom 中。

3 Proteus VSM(Virtual Simulation Mode)與Keil C μVision4 兩者聯(lián)調(diào)

VSM(Virtual Simulation Mode，VSM)是虛擬仿真模式，而Keil C 具備強(qiáng)大的軟件仿真功能，在軟件模擬仿真方式下不需要任何單片機(jī)硬件即可完成用戶程序的調(diào)試;它還提供了硬件仿真功能，但我們?cè)诶迷摴δ軙r(shí)，會(huì)受到一定的限制。Proteus ISIS 則提供了完善的硬件仿真功能，如果我們把Proteus ISIS 與Keil C 整合起來(lái)使用，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)軟硬件的設(shè)計(jì)將變得十分便捷，可以有效降低開(kāi)發(fā)成本［8－10］。

3.1 Proteus VSM 的設(shè)置

進(jìn)入Proteus ISIS，打開(kāi)一個(gè)原理圖文件，鼠標(biāo)左鍵單擊Debug，選中use remote debugger monitor，便可實(shí)現(xiàn)Keil C μVision4 與Proteus 的連接調(diào)試。

3.2 Keil C μVision4 IDE 設(shè)置

打開(kāi)μVision4，建立或打開(kāi)一個(gè)工程，打開(kāi)project 菜單下的option for target 1 選項(xiàng)，在彈出的窗口中單擊debug 按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)話框中右欄上部的下拉菜單中選中Proteus VSM simulator，并單擊一下use 前面的圓圈，選中它。然后打開(kāi)output標(biāo)簽頁(yè)，將Create Hex file 項(xiàng)打鉤選中。

3.3 Proteus VSM 與Keil C μVision4 的聯(lián)調(diào)

在μVision4 環(huán)境下，首先在project 菜單下選擇build target，編譯連接該項(xiàng)目，同時(shí)生成Hex 文件。Proteus VSM 下將生成的Hex 文件加載到單片機(jī)中。然后進(jìn)入μVision4 環(huán)境下的debug 菜單，選中start/stop debug session 進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，取消所有斷點(diǎn)，進(jìn)入全速運(yùn)行方式。然后切換到Proteus VSM 環(huán)境下就能觀察到程序連續(xù)運(yùn)行情況。此時(shí)Proteus VSM 的運(yùn)行完全依賴于外部調(diào)試器μVision4。

4 單片機(jī)控制十字路口紅綠燈控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能

1)主干道和支干道上的車輛交替運(yùn)行，主干道每次通行時(shí)間設(shè)為30 s，支干道每次通行時(shí)間設(shè)為20 s，主、支干道通行時(shí)間可通過(guò)修改，如圖1所示，先按下K4 鍵，然后按下K0 鍵改變南北方向的時(shí)間，按一下加一秒;先按下K4 鍵，然后按下K1 鍵改變東西方向的時(shí)間，按一下加一秒。設(shè)定好時(shí)間后按返回鍵K2 開(kāi)始運(yùn)行。

2)在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí)，要求黃燈先亮5 s，才能變換運(yùn)行車道。

3)黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次。

4)除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時(shí)間都用顯示器進(jìn)行顯示。

5)在需要手動(dòng)控制時(shí)，按下開(kāi)關(guān)K0 控制主干道手動(dòng)放行，K1 控制支干道手動(dòng)放行。

6)有緊急車輛要求通過(guò)時(shí)，系統(tǒng)能禁止普通車輛通行，按開(kāi)關(guān)K3，主、支干道均為紅燈。

4.2 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

在Proteus ISIS 中繪制系統(tǒng)原理圖。在Proteus軟件主界面中通過(guò)對(duì)象選擇按鈕P(從庫(kù)中選擇元件)命令，在彈出的Pick Devices 窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對(duì)位置，對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，接著進(jìn)行元器件間連線，添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志，完成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件原理圖繪制，如圖1所示。

圖1 十字路口紅綠燈控制系統(tǒng)硬件原理圖

4.3 軟件編程

通過(guò)分析可知，系統(tǒng)共有4 個(gè)狀態(tài):支干道綠燈，主干道紅燈;支干道黃燈閃爍，主干道紅燈;支干道紅燈，主干道綠燈;支干道紅燈，主干道黃燈閃爍;系統(tǒng)在各個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 程序流程圖

利用Keil C μVision4 軟件編程過(guò)程如下:

1)打開(kāi)Keil C μVision4，選擇project 菜單下的new project，新建工程。

2)在對(duì)話框中選擇要保存項(xiàng)目文件的路徑，最好事先編好一個(gè)該工程的文件夾，所有與該工程有關(guān)的文件都存放在該文件夾中，方便以后的工作。文件名文本框中輸入項(xiàng)目名稱為lightproject，然后保存，最好起一個(gè)有提示意義的名稱，好找好記。

3)在彈出的對(duì)話框，選擇CPU 的型號(hào)。先選擇公司，然后選擇型號(hào)。此處選擇Atmel 公司下的AT89C51，單擊“確定”按鈕，彈出是否將8051 初始化代碼復(fù)制到項(xiàng)目中去的詢問(wèn)窗口，單擊“是”按鈕。

4)選擇File 菜單下的new，在彈出的程序文本框中輸入編寫(xiě)好的程序，可以是匯編語(yǔ)言或C 語(yǔ)言文件，選擇file 菜單下的Save as 或者單擊工具欄按鈕，保存文件。注意一定要輸入擴(kuò)展名，如* .c、* .asm 或* .a51、* .ini。此處文件保存為light.c。

5)鼠標(biāo)右鍵單擊左邊項(xiàng)目窗口中的source group 1，在彈出的菜單中選擇Add files to group“source group 1”，選擇剛才建立的light.c 文件，然后單擊Add 按鈕，將light.c 文件加入到項(xiàng)目中?？梢蕴砑佣鄠€(gè)文件，添加完后單擊close，關(guān)閉該窗口。

6)設(shè)置目標(biāo)。用鼠標(biāo)右鍵單擊lightproject，在彈出的快捷菜單中選擇option for Target“target 1”，在彈出的對(duì)話框中有10 個(gè)選項(xiàng)卡，分別針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如3.2 節(jié)中所示。

7)選擇project 菜單下的Rebuild all target files，編譯鏈接程序。編譯完成后，選擇Debug 下的start debug session 選項(xiàng)，即可進(jìn)入Debug 調(diào)試環(huán)境。裝載代碼成功在左下角顯示“l(fā)oad light”。

4.4 項(xiàng)目仿真

打開(kāi)Proteus 下的硬件電路原理圖，雙擊單片機(jī)AT89c51，打開(kāi)Edit component 對(duì)話框，在program file 中選擇在Keil C 中生成的hex 文件light. hex。在clock frequency 文本框中填入合適的單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，單擊OK 按鈕退出。從文件下拉菜單中選擇保存整個(gè)項(xiàng)目。單擊仿真按鈕開(kāi)始運(yùn)行?？梢钥吹绞致房谛盘?hào)燈的變化狀態(tài)。單擊調(diào)整按鈕，能按照對(duì)應(yīng)的設(shè)定功能改變運(yùn)行狀態(tài)。

4.5 實(shí)物制作

借助Proteus 軟件和Keil C 軟件，完成原理圖仿真后，就可以制作試驗(yàn)電路板。復(fù)雜系統(tǒng)原理圖可以利用Proteus 下的Ares professional 進(jìn)行PCB 板的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)控制的十字路口紅綠燈控制系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

采用Proteus 和Keil C 仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。只要擁有電腦并安裝軟件后，就可以進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試工作［11］。借助Proteus 和Keil C 軟件，即使沒(méi)有實(shí)物硬件的情況下，也可將單片機(jī)應(yīng)用電路的功能和運(yùn)行的過(guò)程形象化。在硬件和軟件仿真都正確后再進(jìn)行實(shí)物制作，節(jié)省了大量時(shí)間和資金，能方便經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)單片機(jī)各種應(yīng)用系統(tǒng)，而且很容易獲得其PCB 圖，為實(shí)物制作提供了方便。

［1］毛玉蓉.Proteus 在單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(4):48－49.

［2］ 張建華，靳婷.Proteus 軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(1):60－61.

［3］劉燎原，孫秋波.Proteus 軟件在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9(2):63－65.

［4］張富貴，黃海松，呂敬堂，等. 單片機(jī)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)［J］. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(2):135－138.

［5］陳慧，饒成明.Proteus 仿真軟件在單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代企業(yè)教育，2009.6:56－57.

［6］周潤(rùn)景，張麗娜. 基于PROTEUS 的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006:154－202.

［7］張齊，朱寧西. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2009:46－75.

［8］楊明欣，鄭郁正，趙建，等. 結(jié)合電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽進(jìn)行單片機(jī)課程改革［J］. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5(4):94－97.

［9］殷士勇.keil 和proteus 在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，26(6):567－570.

［10］許超，吳新杰，張丹. 基于Proteus 和Keil 的單片機(jī)課程教學(xué)改革［J］. 遼寧大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，38(1):27－29.

［11］曾成，伍萍輝，劉艷萍. 基于虛擬硬件環(huán)境的單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)［J］. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(2):91－93.