江 維，吳雨川，李紅軍

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基于PROTEUS和MDK的嵌入式虛擬實驗室構(gòu)建

江 維，吳雨川，李紅軍

(武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200)

為有效降低電子信息類專業(yè)嵌入式技術(shù)實驗室的建設(shè)成本和周期，本文提出一種基于PROTEUS和MDK軟件結(jié)合的嵌入式技術(shù)虛擬實驗室的構(gòu)建方法，通過PROTEUS的嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計和MDK中嵌入式軟件開發(fā)，以及二者之間的聯(lián)合調(diào)試得到了嵌入式技術(shù)虛擬實驗室的構(gòu)建過程和步驟，最后以LPC2124/ARM7系列芯片為例進(jìn)行流水燈實驗的聯(lián)合仿真，獲得了較直觀的實驗效果。通過虛擬實驗室的構(gòu)建不僅節(jié)省了物理成本，而且對于電子信息類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的開放式學(xué)習(xí)及興趣的提升起到有力的推動作用。

PROTEUS；MDK；嵌入式系統(tǒng)；虛擬實驗室

目前全國各大高校電氣信息類專業(yè)相繼開設(shè)了嵌入式相關(guān)課程，并逐步開始建立嵌入式實驗室。這些實驗室基本都是采用相應(yīng)的硬件仿真設(shè)備來構(gòu)建的，但由于嵌入式微處理器的種類繁多 再加上資金的限制，不可能在一個實驗室包括所有種類的仿真設(shè)備。虛擬實驗作為傳統(tǒng)實驗的重要補(bǔ)充，克服了諸多條件的限制，豐富了實踐性教學(xué)的手段，有利于現(xiàn)代實驗教學(xué)觀念的更新。

1 嵌入式實驗教學(xué)存在的問題

當(dāng)前，嵌入式課程教學(xué)中存在如下問題[1-2]：

（1）嵌入式課堂教學(xué)多以理論教學(xué)為主，教學(xué)中需要很多硬件設(shè)備，一般理論課堂難以輔助硬件進(jìn)行教學(xué)，即便演示，效果也不好。

（2）嵌入式實驗作為實驗中心的基礎(chǔ)實驗，學(xué)生除了上課外，平時難得有機(jī)會實踐；而采用的嵌入式實驗設(shè)備大多是成品，學(xué)生很難參與其中的細(xì)節(jié)設(shè)計，因此學(xué)生動手能力也很難得到提高。

（3）配套的實驗設(shè)備多采用硬件仿真器配目標(biāo)實驗板。這種配置方式直接導(dǎo)致該課程的實驗項目有限，實驗時間過長，設(shè)備維護(hù)工作量大等現(xiàn)實問題。

針對上述問題，本文提出利用PROTEUS和MDK整合構(gòu)建嵌入式虛擬實驗室的方案。所謂“虛擬實驗室”，就是將計算機(jī)上的各種虛擬儀器，按實驗要求和設(shè)計原理，虛擬出一個與現(xiàn)實相同的實驗系統(tǒng)，進(jìn)而在這個系統(tǒng)上完成整個實驗。與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较啾?，虛擬實驗具有比較明顯的優(yōu)勢。例如，涉及的實驗內(nèi)容全面，硬件投入少，學(xué)生可自行實驗，實驗過程中損耗小，與工程實踐最為接近等。

2 嵌入式虛擬實驗室的構(gòu)建

2.1 嵌入式虛擬實驗室的軟件支持

本文主要是以PROTEUS軟件和MDK軟件來構(gòu)建嵌入式虛擬實驗室。

PROTEUS ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。該軟件的特點是[3-4]：

（1）實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真，RS232動態(tài)仿真，I2C調(diào)試器，SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。

（2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。

（3）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。

（4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。

總之，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。

MDK開發(fā)工具源自德國 Keil 公司，被全球超過 10 萬的嵌入式開發(fā)工程師驗證和使用，是ARM公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。KEIL MDK 集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μVision4集成開發(fā)環(huán)境與RealView 編譯器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3/M1/M0 內(nèi)核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash 燒寫模塊，強(qiáng)大的 Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器的最新版本可將性能改善超過20%。KEIL MDK出眾的價格優(yōu)勢和功能優(yōu)勢，已經(jīng)成為ARM軟件開發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)，目前，KEIL MDK在國內(nèi)ARM開發(fā)工具市場已經(jīng)達(dá)到90％的占有率。

2.2 嵌入式虛擬實驗室的實驗內(nèi)容和實驗過程

結(jié)合PROTEUS和MDK構(gòu)建的虛擬實驗室能夠進(jìn)行ARM7涉及的所有實驗內(nèi)容，其中包括中斷、GPIO流水燈、UART串口通信、SPI通信、PWM脈寬調(diào)制器、WDT看門狗、A/D轉(zhuǎn)換器、定時計數(shù)器，以及基于μC／OSII的實驗。

基于PROTEUS和MDK虛擬實驗室的教學(xué)采用局域網(wǎng)多媒體教學(xué)，教師可以通過多媒體演示電路圖并講解其原理，學(xué)生根據(jù)相關(guān)實驗原理在PROTEUS和MDK中完成整個實驗。過程如下[5-8]：

（1）在MDK中編寫匯編/C語言源程序；

（2）編譯、調(diào)試源程序，最終生成后綴為.hex的可執(zhí)行文件；

（3）在PROTEUS中設(shè)計完整的原理圖；

（4）將生成的.hex文件導(dǎo)入相應(yīng)的嵌入式微處理器芯片。

完成以上步驟后，在PROTEUS中運行即可；觀察仿真結(jié)果，并檢驗是否與設(shè)計要求一致。

基于PROTEUS和MDK構(gòu)建的ARM虛擬實驗平臺提供了大量的虛擬元件供學(xué)生使用，這樣就可以在虛擬實驗教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，增強(qiáng)互動性，提高教學(xué)效果。

3 嵌入式虛擬實驗室構(gòu)建實例分析

下面以用ARM7(LPC2124)設(shè)計一個流水燈的實驗為例，介紹如何通過PROTEUS與MDK的整合實現(xiàn)對ARM7外圍電路的仿真。

3.1 軟件的實現(xiàn)

在MDK中編寫C語言程序添加到工程中。程序如下：

#include

#define uint8 unsigned char

#define uint16 unsigend short

#define uint32 unsigned int

const uint32 LED8 = (0xff << 18); //8個LED分別連接到P1.25-P1.18

/******************

延時函數(shù)

***************************/

void delayms(uint32 delay)

{

uint32 i;

for(;delay > 0;delay--)

for(i = 0;i < 5000;i++);

}

/********************

流水燈花樣，

************************/

const uint32 LED_TBL[] = {

0x00,0xff, //全部熄滅然后全部點亮

0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80, //依次逐個點亮

0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff, //依次逐個疊加點亮

0xff,0x7f,0x3f,0x1f,0x0f,0x07,0x03,0x01, //依次逐個遞減點亮

0x81,0x42,0x24,0x18,0x18,0x24,0x42,0x81,//兩個靠攏后分開

0x81,0xc3,0xe7,0xff,0xff,0xe7,0xc3,0x81, //從兩邊疊加后遞減

};

/***************************

主程序

*****************************/

int main(void)

{

uint8 i;

PINSEL2 = PINSEL2 & (~0x80); //設(shè)置P1.25-P1.18為GPIO模式

IO1DIR = LED8; //設(shè)置為輸出口

while(1)

{

for(i = 0;i < 42;i++)

{

IO1SET = ~((LED_TBL[i]) << 18); //低電平點亮LED

delayms(100);

IO1CLR = (LED_TBL[i]) << 18;

delayms(100);

}

}

將該程序進(jìn)行編譯，編譯通過后，就生成后綴為.hex的文件。

3.2 硬件電路的實現(xiàn)

在PROTEUS中設(shè)計的流水燈原理電路，如圖1所示。其中用LPC2124的P1[25：18]控制LED8～LED1，低電平點亮。將后綴為.hex的文件添加到LPC2124中，運行后觀察到的部分仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 在PROTEUS中的花樣流水燈虛擬仿真結(jié)果

圖1中所繪制電路用到元器件有LPC2124一片、電源POWER三個（兩個需修改屬性為+3.3V 一個為1.8V）、接地GND一個、發(fā)光二極管8個。

4 結(jié)語

綜上所述，基于PROTEUS和MDK構(gòu)建嵌入式虛擬實驗室的方案是切實可行的。采用虛擬實驗的方式，不僅能夠解決傳統(tǒng)嵌入式實驗室設(shè)備資金短缺和維護(hù)困難的問題，而且使學(xué)生能夠充分利用課余時間進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，充分鍛煉了學(xué)生的動手能力。在實際運行中，取得了良好的教學(xué)效果。使用該方案進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開發(fā)成功之后再進(jìn)行實際制作，無疑可以提高開發(fā)效率、 降低開發(fā)成本、提升開發(fā)速度，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1] 朱清慧. PROTEUS電子技術(shù)虛擬實驗室[M]. 北京：中國水利水電出版社，2010. 8.

[2] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009. 12.

[3] 林立. 單片機(jī)原理及應(yīng)用——基于Proteus和Keil C[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2011. 7.

[4] 從宏壽. 電子設(shè)計自動化——Proteus在電子電路與51單片機(jī)中的應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012. 1.

[5] 孫萬麟, 楊蓮紅, 宋莉莉. 單片機(jī)虛擬實驗室的構(gòu)建及其應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(7): 229-231.

[6] 焦鉻, 戴小新. 基于Proteus和Keil的單片機(jī)虛擬實驗室的構(gòu)建[J]. 電腦知識與技術(shù), 2010, 06(28): 8127-8128.

[7] 李超建, 陸釗, 龔榆桐. 高校計算機(jī)硬件課程群的虛擬實驗室構(gòu)建--以單片機(jī)原理虛擬實驗室為例[J]. 玉林師范學(xué)院學(xué)報, 2014, (2): 125-129.

[8] 魏魯原, 崔霞. 基于PROTEUS的單片機(jī)虛擬實驗室的構(gòu)建[J]. 電子世界, 2015, (14): 187-189.

The Construction of Embedded Virtual Laboratory based on PROTEUS and MDK

JIANG Wei, WU Yu-chuan, LI Hong-jun

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

In order to effectively reduce the construction cost and cycle of the embedded technology laboratory for electronic information specialties, this paper proposes a method for constructing an embedded virtual laboratory based on the combination of PROTEUS and MDK software. The embedded hardware system design and software system are implemented through PROTEUS and MDK respectively, the construction process and steps of the embedded virtual laboratory can be obtained through union debugging. Finally, the LPC2124/ARM7 series chip is used as an example to perform the co-simulation of the flowing water experiment and it obtains a more intuitive experimental results. Through the construction of a virtual laboratory, not only saves physical costs, but also plays a powerful role in promoting the open learning and interest of electronic information related professional students.

PROTEUS; MDK; embed system; virtual laboratory

江維（1983-），男，講師，博士，研究方向：智能控制與嵌入式系統(tǒng).

2018年湖北省自然科學(xué)基金（2018CFB273）.

TP391.9

A

2095－414X(2018)05－0022－04