单片机仿真实验平台的设计

第22卷第8期徐州工程学院学报2007年8月Vol.22No.8Journal of Xuzhou Institute of Technology AU G12007单片机仿真实验平台的设计韩晓春1,2,程明霄1,陈立娟2(1.南京工业大学,　江苏　南京　210009;　2.淮海工学院,　江苏　连云港　222005) 【摘　要】　与传统单片机硬件实验平台相比较,Proteus仿真实验平台具有资源丰富、可扩展性强、支持动态仿真低等诸多优点,是改善单片机实验教学的有益尝试.研究表明,Protens具有强大的仿真功能和调试功能,此系统还可根据需要灵活更换或扩展实验内容.【关键词】　Proteus;Spice3f5;虚拟系统模型【中图分类号】　TP368.1　【文献标识码】A【文章编号】167320704(2007)0820059205单片机实践教学包括单片机实验、综合课程设计、毕业设计以及大学生电子设计大赛训练等诸多环节,而这些环节的实验教学基本上是在单片机实验室进行.目前高校的单片机实验室一般都是购置8051系列的硬件实验系统,这种方式受其固定的单片机芯片和外围电路所限,一般只能完成十多个实验内容固定的实验项目.其在单片机实验教学中虽还能起到一定的作用,但在综合课程设计、毕业设计以及大学生电子设计大赛训练等环节就显得无能为力了.这种传统的教学方法有设备昂贵、损耗大、支持内容有限、不方便更新换代等缺点,教学效果不佳,为此使用单片机仿真软件Proteus6.9sp4代替硬件实验箱,用更为强大的单片机开发软件Keil uVision3进行软件调试,从而构建功能更为强大的易用易扩展的低成本的单片机仿真实验平台.1　Proteus软件特性1.1　强大的仿真功能Proteus支持8051、PIC、AVR、HC11、A RM7/L PC2000和Basic Stamp p rocessors等多种单片机.Pro2 teus具有:30多个元件库,超过6000多种模拟和数字器件模型,标准电子元件(电阻、电容、二极管、t ran2 sistors、SCRs、op-couplers、op-amp s、555timer等),74系列T TL和4000系列CMOS器件.存储器有ROM、RAM、EEPROM、I2C器件等.Proteus VSM包含大量的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号波形发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计等,包含大量复杂的外设模型,如L ED/L CD显示、矩阵键盘、字符终端、D直流电机、扬声器等.这些模型在Proteus软件里同CPU一起仿真作用,就像工作在实际的物理原型上.Proteus能够实时观察软件代码与仿真硬件间的互动并且支持通用的汇编器、编译器.Proteus仿真是基于Pro SPICE混合仿真模型.ProSPICE是建立在Berkeley SPICE3F5模型,用电路及混合模型仿真.Pro SPICE仿真提供两个层次,基本的版本只包括交互式瞬时分析,而高级版本提供包括频率、傅立叶、失真、燥声及多变量的交直流扫描等分析.基本的Pro SPICE仿真特点完全集成于ISIS原理图输入系统.确切的说混合模型是建立在SPICE3F5,高级仿真事件是由数字仿真引擎驱动.为了使仿真结果更加形象需要设置System菜单下的Set Animatio n Options选项,单击它出现图1所示对话框,而所要改的是右边Animation Options中的四个选项:(1)Show Voltage&Current on Pro be?在收稿日期:2007204224作者简介:韩晓春(19702),女,江苏连云港人,实验师,主要从事计算机应用技术研究.探针上显示电压和电流;(2)Show logic State of Pins?,显示引脚逻辑状态,被选中后在仿真时数字电路引脚上会出项一个小方块,表示当前的逻辑状态,蓝色表示低电平“0”,红色表示高电平“1”;(3)Show Wire Volt2 age by Colo ur?,用颜色显示电压值,被选中后仿真时用线颜色表示出电压的高低,浅绿色表示低电压,深红色表示高电压;(4)Show Wire Current wit h Arrows?,用箭头显示电流方向,被选中后仿真时,线上出项一个箭头表示出电流的方向,元件间的连接线的颜色会随电压变化,元件间的连接线上显示电流方向.图1　Set animation Dptions选项Fig.1　Set animation Dptions item1.2　强大的调试功能Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试.这些测试信号包括模拟信号和数字信号,对于单片机硬件电路和软件的调试,Proteus提供了两种方法:一种是系统总体执行效果,另一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况.对于总体执行效果的调试方法,只需要点击左下角的中的最左端红圈中的运行按钮即可,也可以执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行.用debug菜单下的pauseanimation菜单项或pause键暂停系统的运行,或用debug菜单下的stopanimation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行.其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行.对于软件的分步调试,应先执行debug菜单下的start/restart debugging菜单项命令,此时可以选择stepover,stepinto和stepout命令执行程序(可以用快捷键F10、F11和ct rl+F11),执行的效果是单句执行,进入子程序执行和跳出子程序执行.在执行了start/restartdebuging命令后,在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等,可供调试时分析和查看.这一点对于观察仿真过程中的软硬件资源非常好,比如可以详细看见I2C memrory、ds1302、virt ual terminal、ks0108b lcd cont roller1ram-lcd1(液晶显示器控制器的内存储器)等的实时仿真结果,图3中的虚拟仪器Virt ual Terminal窗口就是仿真时debug菜单下的选项.1.3　与Keil软件的结合单片机实验过程分为软件调试、硬件调试、综合系统调试三个过程,Prot ues是面向单片机系统设计的EDA软件,即仿真硬件调试部分.软件调试需要用Keil、wave6000等,本文使用KeiluVision3软件进行软件调试,Prot ues与Keil软件的联调方法各大单片机网站都有详细的介绍.在本平台的开发过程中,由于实验模块比较多,两个软件联调的方法是不适用的.而Proteus6.9sp4与KeiluVision3两个软件分别工作是简便有效的,KeiluVision3软件只需要完成基本的使用就可以了.它主要任务是将源程序(汇编或C语言程序)调试通过并生成相应的hex文件即可,在综合系统调试时需要在Proteus软件里将单片机芯片在其属性里与hex文件进行绑定就可以完成了.2　单片机仿真实验平台的设计目前高校单片机实验室通常都是购买价格昂贵的硬件实验系统,这种硬件实验系统一般包括硬件实验箱和相配套的编译软件.做具体实验时,需要根据实验内容对硬件实验箱上相关管脚进行连线,编译软件安装在电脑上,硬件实验箱通过串口和电脑相连,电脑通过编译软件生成相应可执行程序并通过串口下载到硬件实验箱上执行.硬件实验箱上一般都有包括流水灯、键盘开关、数码管显示、L ED显示、数模/模数转换、8255、扩展串口等十多个子电路模块,可以完成相应十几个实验项目.在深入研究了单片机接口实验资料并徐州工程学院学报 2007年第8期熟练掌握Proteus和Keil软件操作的基础上,采用Proteus6.9sp4软件代替硬件实验箱,使用单片机开发软件KeiluVision3进行软件调试,设计出51单片机仿真实验系统.该系统包括流水灯、键盘开关控制、数码管显示、音乐播放、L ED显示、L CD显示、数模/模数转换、存贮器扩展和串口通讯等12个实验子模块,能够完成14个具体实验项目,并都得到了良好的动态仿真效果.每个实验项目都有独立的原程序,便于学生分步学习,此系统还可以根据需要灵活更换或扩展实验内容.以下具体介绍模数转换、串口通讯和L CD液晶显示三个实验模块,其相应的原程序省略.2.1　模数转换Proteus软件的操作同其它仿真软件相似.首先运行Proteus6.9sp4软件的ISIS,建立一个新文件,从右上角pick devices窗口中选择电路所需的元件,在Category栏里点击具体Microprocessor ICS项后,在Result s栏里会出现多种类型的CPU器件,如51系列、PIC系列、AV R系列、摩托罗拉的68M H1l系列等,找到A T89C52芯片后双击,A T89C52等就被添加到当前窗口左侧的元器件列表区了.另外也可以使用搜索的方式,比如在keywords栏中输入ADC0832就可以直接定位到该元件,如此依次把ADC0832、7seg-led、74ls138、4511、adc0808、ds1302等都添加到器件列表区里,然后再依次点击列表区里的器件,把它们放到绘图区并编辑其属性,单击右一按钮的虚拟仪器图标进行数字电压表的选取,进行合理的布局后原理图就绘制好了.虽然硬件电路绘制好了,但没有相应的程序是无法仿真运行的,程序是由Keil软件来完成的.先在Keil uvision3建立项目并编写程序,经过设置程序编译通过就会生成后缀名hex 的文件,将此文件用如下方法加载到Proteus下的A T89C52属性中:先在原理图的A T89C52上点击右键,然后点击左键打开属性对话框,在Program File栏选择经过编译的相应的hex文件,同时输入Clock Fre2 quency的值为12M HZ(图中晶振为12M HZ),单击左下角运行按钮就可以进行动态仿真了.图2　模数转换实验仿真Fig.2　Analog-to-digital conversion experiment simulation在本模块中74L s138作为7SEG-L ED的位控制器,4511是7SEG-L ED的段驱动器,用动态扫描的方法实现7SEG-L ED的显示.4511是针对数码管的BCD-7锁存译码驱动器,假设输入十进制的3 (0011B),它会自动转成数码管对应的显示3,这样设计主要是为了节约A T89C52的管脚资源,因为这个仿真实验平台有12个实验子模块,共有20多个元器件,设计时需要尽量减少A T89C52的P0、P1、P2和P3口中管脚在不同的模块中复用.ADC0832是8位的模数转换器,其最多输出FF H(255),也就是11111111B, 7SEG-L ED显示的是经ADC0832转换后的数字电压值的字节数,那么A点的+5V应该对应7SEG的255,A点的4V的应该对应7SEG的是2553(4/5)=204,A点3V时7SEG应该显示为2553(3/5)=153 ,A点2.5V时7SEG应该显示为2553(2.5/5)=127.5约等于128,图2是当滑动变阻器的电压值为+韩晓春,等:单片机仿真实验平台的设计2.5V 时的仿真截图,截图中左边的数字电压表同A -D 转换模块中的滑动变阻器A 点相连,其显示为+2.5V 模拟电压值,7SEG -L ED 显示的是经过ADC0832转换后+2.5V 电压对应的字节数128.尽管在设计时尽量减少A T89C52的管脚在不同的模块中的复用,在图2中还可以看到音乐和日历时钟模块中的L S1和U4芯片中有两个管脚同接P1.0情况.这种情况主要是通过后台程序解决,因为后台有十几个不同的程序,每次只运行其中一个程序,通过更换后台程序,可以依次完成很多实验项目,并且避免有冲突的实验模块同时工作.2.2　串口通讯串口通讯模块如图3所示,包括串口COM PIM 、单刀双掷开关SW -SPD T 和虚拟仪器Virt ual Termi 2nal ,这个模块的仿真需要安装串口调试助手和虚拟串口两个辅助软件,用虚拟串口软件建立两个虚拟串口COM3和COM4,并将其分别绑定于COMPIM 和串口调试助手,COMPIM 的RXD 和TXD 分别接A T89C52的P3.0和P3.1,图3是当SW -SPD T 接通在COM PIM 的RXD 管脚,同时也是接通在A T89C52的P3.0管脚时,Virt ual Terminal 接受电脑发给单片机的数据:来自电脑上的文本文件中的一段英文.图3　串口通讯实验仿真Fig.3　Serial communication experiment simulation2.3　L CD 液晶显示Proteus 软件库中有几十种字符、汉字图形液晶L CD ,包括1602、L M 、P G 、AM P 、L GM 、HD G 、T G 等系列,其内部控制器主要有HD44100、T6963C 、KS0108、SED1565、SED1520等.L CD 的管脚主要有8根数据,电源线VDD ,地线V EE ,还有数据寄存器和指令寄存器的选择信号RS ,读写信号R/W 和片选信号E ,这些管脚都要同A T89C52正确连接.显示的具体内容和方式就要在程序里完成了,程序的编写要根据L CD 具体的控制器指令及其与单片机的具体连接来编写,同时需要编写液晶驱动程序.汉字图形液晶显示的具体内容也需要字模软件的帮助,通过字模软件将具体的汉字和图形转换为程序中需要的相应的十六进制代码.本模块使用字符型液晶L CD1602(控制器为HD44100),如图4显示,其D0-D7同单片机的P0口相连,RS 、R/W 、E 分别与P2.0、P2.1、P2.2相连,显示的内容是一段字符.3　结语Proteus 和Keil 两个软件具有程序短小(Proteus 6.9sp4数据包51M )、安装快捷、对电脑配置要求低等特点.其完美结合所构建的单片机仿真实验平台具有强大的功能,为当今电子类专业的教学改革提供了强有力的手段,为单片机实践教学工作提供了一条方便、快捷、节约成本的新方法.不仅弥补了实验室硬件资本投入的不足,还明显克服了实验箱教学中的实验内容固定的局限性.在提高了学生的实验兴趣和效率的同时,在综合课程设计以及毕业论文设计等单片机实践教学中也能够取得良好的效果,比如设计交通灯系统、电子徐州工程学院学报 2007年第8期密码锁、6路数据采集系统、8位抢答器、多点温度检测系统、步进电机控制项目等,都可以顺利进行仿真.Proteus 还具有很多高级版本提供的诸如频率分析、傅立叶分析、失真分析、多变量的交直流扫描分析、环境模拟、图表分析、噪声分析、PCB 布线等高级应用,可以相信该平台将会在学习、实验室工作及科研活动中发挥巨大的作用.图4　L CD 液晶显示实验仿真Fig.4　L CD display experiment simulation参　考　文　献[1]Proteus6.7中的ISIS 帮助文件[Z]1[2]马正强1单片机虚拟实验室的建立[J ].单片机与嵌入式系统应用,2005,(3):20-231[3]李学礼1基于Proteus 软件的单片机实验室建设[J ].单片机与嵌入式系统的应用,2005,(9):5-61[4]邓力1Proteus 51单片机的电路仿真[J ].中国科技信息,2006,(14)1[5]朱定华1单片机原理及接口技术实验[M ]1北京:清华大学出版社,20021[6]秦晓梅1单片机原理综合实验教程[M ]1大连:大连理工大学出版社,20041Design of the Simulation Experiment Platform forSingle -chip MicrocomputerHAN Xiao 2chun 1,2,CH EN G Ming 2xiao 1,C H EN Li 2juan 2(1.Nanjing University of Technology ,Nanjing 210009,China ;2.Huaihai Institute of Technology ,Lianyungang 222005,China )【Abstract 】　Compared wit h traditional single -chip microcomp uter hardware experiment platform ,Proteus simulation experiment platform is credited wit h many merit s ,for instance ,richness in resource ,st rong extensibility ,and supporting dynamic simulation ,hence a beneficial attempt to improve single -chip experiment inst ruction.St udy shows t hat Proteus exhibit s st rong simulation and adjust ment f unction ,and t he system is adaptable to t he change and extension of experiment content.【K ey w ords 】　Proteus ;Spice3f5;virt ual system model(责任编辑　曹　晨)韩晓春,等:单片机仿真实验平台的设计。