Ｐｒｏｔｅｕｓ在電子實(shí)踐教學(xué)課程中應(yīng)用的研究(一)

1、在電子實(shí)踐教學(xué)課程中應(yīng)用的研究(一)    摘要本文介紹了PROTEUS軟件在實(shí)踐教學(xué)中的重要作用，闡述了該仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明虛擬仿真在電子設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞Proteus 軟件 仿真 實(shí)踐教學(xué) 一、前言 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入電子線路課程設(shè)計(jì)教學(xué)之中，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)和電子電路設(shè)計(jì)的重大突破。先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、仿真，然后將結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際電路之中，既降低了設(shè)計(jì)成本，又縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)的周期，從而提高了效率。作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段，有利于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念的

2、更新。例如，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的愛好者而言，往往沒有足夠的資金購(gòu)買昂貴的開發(fā)板來(lái)進(jìn)行開發(fā)，這時(shí)可以選擇通過(guò)軟件仿真來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。Proteus 是目前最好的能夠虛擬嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的處理器和外圍器件的EDA 工具。另外，仿真技術(shù)在電子線路課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提高了學(xué)生綜合分析電路的能力和開發(fā)設(shè)計(jì)的能力，為今后更高層次的設(shè)計(jì)和實(shí)踐打下基礎(chǔ)。 二、PROTEUS 軟件簡(jiǎn)介 PROTEUS軟件由Labcenter公司開發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設(shè)計(jì)等功能，是目

3、前唯一能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試與測(cè)試的EDA工具。微控制器系統(tǒng)相關(guān)的仿真需建立編譯和調(diào)試環(huán)境，可選擇Keil C51uVision2 軟件。該軟件支持眾多不同公司的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時(shí)還支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。它的界面友好易學(xué)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能。 Proteus VSM的核心是ProSPICE，這是一個(gè)組合了SPICE3f5模擬仿真器核和基于快速事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)字仿真器的混合的仿真系統(tǒng), SPICE 內(nèi)核的使用使您能采用數(shù)目眾多的供應(yīng)廠商提供的SPICE 模型, 目前該軟件包包含有約6500個(gè)模型。Proteus VSM包含大量的虛

4、擬儀器如示波器、邏輯分析儀、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)波型發(fā)生器、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、虛擬終端以及簡(jiǎn)單的電壓計(jì)、電流計(jì)。此外仿真器能通過(guò)色點(diǎn)來(lái)顯示每個(gè)管腳的狀況，這點(diǎn)在單步調(diào)試I/O 碼時(shí)絕對(duì)非常有用。 Proteus VSM最主要的特點(diǎn)是它能把微處理器軟件作用在處理器上并和連接該微處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真。微處理器模型和其它器件的模型一道駐留在原理設(shè)計(jì)中， 它仿真執(zhí)行目標(biāo)碼， 就像在真正的單片機(jī)系統(tǒng)上。如果程序代碼向一個(gè)外設(shè)口寫, 電路中邏輯電平會(huì)相應(yīng)變化， 如果電路改變了微處理器管腳的狀態(tài)， 這些也可以在您的程序代碼中看到，如同真實(shí)系統(tǒng)一樣。 PROTEUS VSM FOR ARM/LPC20

5、00 包含做PHILIPS 公司LPC2000 系列設(shè)計(jì)仿真所需的一切。支持ARM和THUMB 指令集。支持片上外設(shè)：GPIO, timers, RTC, UARTS, SPI, I2C, MAM,PLL, ADC and watchdog timer 等。支持VIC 中斷子系統(tǒng)。在3G 的PC 環(huán)境下可以做10MIPS 的仿真?？梢匝b載ELF/DWARF2 格式文件進(jìn)行源碼調(diào)試?？梢岳肐AR Embedded Workbench 和KeilUV3 與PROTEUS 進(jìn)行聯(lián)調(diào)。這個(gè)軟件包包括: ISIS 原理圖輸入系統(tǒng)。PROSPICE 交互式仿真引擎。LPC2000 系列處理器模型。ARM

6、7TDMI 和ARM7TDMIS 內(nèi)核模型?？梢杂酶呒?jí)圖形仿真工具來(lái)做基于圖表的仿真。由PROTEUS VSM仿真通過(guò)的設(shè)計(jì)可以直接導(dǎo)入到ARES 中進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)。 三、PROTEUS 軟件仿真的優(yōu)勢(shì) 采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn), 具有比較明顯的優(yōu)勢(shì),如涉及到的電子元件豐富、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面、硬件投入少、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中安全、損耗小、與工程實(shí)踐最為接近等。 1電子元件豐富，內(nèi)容全面 Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件，它能實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、C 等語(yǔ)言的調(diào)試過(guò)程,也包括硬件接口電路中的大部分類型。對(duì)同一類功能的接口電路, 可以采用不同的硬件來(lái)搭建完成, 可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和

7、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該軟件可以加快電路系統(tǒng)開發(fā)的速度，節(jié)約開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。 2硬件投入少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯 Proteus 所提供的元件庫(kù)中, 大部分可以直接用于接口電路的搭建, 同時(shí)該軟件所提供的儀表, 不管在質(zhì)量還是數(shù)量上, 都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。如果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中投入這樣的真實(shí)的儀器儀表, 僅儀表的維護(hù)來(lái)講, 其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進(jìn)行教學(xué), 其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是比較明顯的。 3接近實(shí)踐，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力 采用仿真軟件后, 學(xué)習(xí)的投入變得比較的小, 而實(shí)際工程問(wèn)題的研究, 也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過(guò), 再進(jìn)行硬件的投入,這樣處理, 不僅省時(shí)省力, 也可以節(jié)省因方案不正

8、確所造成的硬件投入的浪費(fèi)。最后將仿真調(diào)試成功的電路移植到一個(gè)具體的硬件電路中進(jìn)行測(cè)試。將仿真軟件和具體的工程實(shí)踐如何結(jié)合起來(lái), 利于對(duì)工程實(shí)踐過(guò)程的了解和學(xué)習(xí)。 4實(shí)驗(yàn)過(guò)程中安全，儀器多、損耗小 采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以將大量教學(xué)信息直接地表現(xiàn)出來(lái),節(jié)約大量昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,為實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)了很大的靈活性,并且打破了空間和時(shí)間的限制,避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn),則不存在因操作不當(dāng)而造成的元器件和儀器儀表的損毀, 也涉及到儀器儀表等工作時(shí)所造成的能源消耗的問(wèn)題。 5采用多媒體教學(xué)，豐富了實(shí)踐性教學(xué)的手段 在教學(xué)上虛擬實(shí)驗(yàn)采用

9、局域網(wǎng)多媒體教學(xué)，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)教師機(jī)對(duì)學(xué)生機(jī)同步演示電路圖并講解其原理，學(xué)生根據(jù)電路原理圖在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的元件庫(kù)中找到相應(yīng)的虛擬元件。實(shí)驗(yàn)完成后將數(shù)據(jù)輸入到電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)中，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師再通過(guò)主機(jī)將每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告收上來(lái)進(jìn)而完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 四、教學(xué)實(shí)例 1 在Proteus 軟件平臺(tái)中繪制原理圖 Proteus 軟件繪制原理圖先從軟件包的器件庫(kù)里取出所需的元件符號(hào)并在繪圖區(qū)布局好, 同時(shí)編輯好元件的參數(shù), 接著進(jìn)行連線, 添加必要的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等步驟。 2編寫程序 (1)對(duì)于匯編語(yǔ)言，可直接在Proteus軟件平臺(tái)編寫、編譯程序，再把產(chǎn)生HEX 文件導(dǎo)入到AT89C51中。

10、 (2)也可打開第三方軟件Keil Vision3, 新建項(xiàng)目, 選擇微處理芯片, 然后編寫程序, 編譯源程序。產(chǎn)生HEX 文件, 并選中Use Proteus VSM Simulator。該溫控電路主要程序如下： * DAT BIT P2.0 ;數(shù)據(jù)通信口 WDLSB DATA 30H ;讀出的溫度低字節(jié) WDMSB DATA 31H ;讀出的溫度高字節(jié) MAIN: MOV SP,#60H MOV P2,#0FFH MOV R2,#8 MOV R0,#40H ; OVER: MOV R0,#00H;清顯示緩沖 INC R0 DJNZ R2,OVER MOV TMOD,#21H;T0=16B

11、Counter,T1=8B autoload MOV TH1,#0FDH;串口波特率960011.0592M MOV TL1,#0FDH MOV SCON,#50H;串口方式1: 8,N,1 MOV PCON,#00H MOV TH0,#LOW(65535-10000) MOV TL0,#HIGH(65535-10000) SETB EA SETB ET0 SETB TR1 SETB TR0 LOOP: LCALL DSWD ;調(diào)用讀出DS18B20溫度程序 SJMP LOOP ;讀出DS18B20溫度程序 DSWD: CLR EA LCALL RSTSNR JNB F0,KEND ;如果沒有

12、應(yīng)答，返回主程序 MOV R0,#0CCH LCALL SEND_BYTE ;跳過(guò)ROM匹配 MOV R0,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令 LCALL SEND_BYTE SETB EA MOV P1,#00001111B MOV 48H,#1 ;延時(shí)75ms以上準(zhǔn)備讀 SS2: MOV 49H,#255 SS1: MOV 4AH,#255 SS0: DJNZ 4AH,SS0 DJNZ 49H,SS1 DJNZ 48H,SS2 MOV P1,#11111100B CLR EA LCALL RSTSNR JNB F0,KEND MOV R0,#0CCH ;跳過(guò)ROM匹配 LCALL SEND_BY

13、TE MOV R0,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令 LCALL SEND_BYTE LCALL READ_BYTE MOV WDLSB,A LCALL READ_BYTE MOV WDMSB,A LCALL TRANS12 KEND: SETB EA RET * 3電路的調(diào)試與仿真 對(duì)于匯編語(yǔ)言程序可直接在Proteus平臺(tái)編譯、仿真和調(diào)試程序，如果采用第三方軟件Keil編程（C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言）可按照以下步驟進(jìn)行仿真調(diào)試。 (1) 打開Proteus 繪制電路圖, 在AT89C51 中導(dǎo)入在Keil平臺(tái)中編譯出的HEX 文件,選中Use Remote Debug Monitor。 (2)在Keil 中選擇調(diào)試,可順序和單步運(yùn)行程序, 調(diào)出Proteus ISIS 界面, 在Debug 菜單下選擇Virtual Terminal, 打開虛擬終端, 在鍵盤上按鍵, 在虛擬終端窗口中就會(huì)顯示相應(yīng)的字符，調(diào)節(jié)虛擬的溫度傳感器（DS18B20）溫度，就可在數(shù)碼管中顯示準(zhǔn)確的溫度值。 五、結(jié)束語(yǔ) Proteus仿真與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,虛擬