Ｐｒｏｔｅｕｓ與單片機實時動態(tài)仿真研究

摘要：闡述了單片機仿真軟件Proteus動態(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，仿真更具有實時性，更便于觀察單片機系統(tǒng)的運行狀態(tài)。給出了矩陣顯示控制和步進電機驅(qū)動仿真實例。

關(guān)鍵詞：Proteus；單片機；動態(tài)仿真

1 引言

單片機由于功能強、可靠性高和體積小、價格低等特點，在智能儀器儀表、機電一體化產(chǎn)品、工業(yè)測控、家用電器等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。各院校機電一體化、自動控制、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性。在教學(xué)過程中利用Proteus軟件進行單片機的實時動態(tài)仿真，會起到事半功倍的效果，本文主要以單片機的實時動態(tài)仿真為例，使大家初步了解該軟件的強大功能及其在工程實踐和實驗教學(xué)中的重要作用。

2 Proteus 仿真功能簡介

Proteus 是英國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，其主要的特點有兩個：一是對動態(tài)元件的實時仿真，它對“人機對話”的模擬增強了系統(tǒng)的真實性；二是虛擬工具箱的功能，它能與仿真同時進行，測量方便而準確。

2.1 實時動態(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多個模擬和數(shù)字電路中常用的spice模型以及各種動態(tài)元件，基本元件如電阻、電容、各種二極管、三極管、MOS 管、555 定時器等；74 系列TTL 元件和4000 系列CMOS 元件；存儲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，原理布圖時只要進行相應(yīng)的調(diào)用和連線，通過對每個元件的屬性設(shè)置完成繪圖，然后即可進行仿真和虛擬測量[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)試之前對整個單片機系統(tǒng)仿真。仿真的過程中，只需用鼠標去點擊開關(guān)和按鈕，微處理器根據(jù)輸入的信號做出相應(yīng)的中斷響應(yīng)，同時輸出運算的結(jié)果到顯示終端。整個過程與真實的硬件調(diào)試是極其相似的，在動態(tài)外設(shè)支持下的實時輸入和輸出為實驗者呈現(xiàn)了一個最接近現(xiàn)實的調(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試中的常用工具和儀器，如圖1 所示。主要用于在實時仿真同時的電路參數(shù)觀測，測量結(jié)果隨仿真動態(tài)變化并顯示，對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)約了測試時間和開發(fā)成本。

3 Proteus 在單片機動態(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 等系列多種型號的微處理器，仿真時只需在設(shè)定元件屬性時指定下載程序的路徑即可進行實時動態(tài)仿真[1]。

3.1單片機系統(tǒng)的Proteus設(shè)計與仿真流程

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

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

Proteus源程序設(shè)計：在ISIS平臺上進行單片機系統(tǒng)程序設(shè)計、編輯、匯編編譯、代碼級調(diào)試，最后生成目標代碼文件（.*hex）。

Proteus實時仿真：在ISIS平臺上將目標代碼文件加載到單片機系統(tǒng)中，并實現(xiàn)單片機系統(tǒng)實時交互、協(xié)同仿真，它在相當(dāng)程度上反應(yīng)了實際單片機系統(tǒng)的運行情況。

3. 2 Proteus 仿真實例分析

圖2給出了AT89C51單片機控制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行列信號控制，單片機AT89C51為74LS595提供轉(zhuǎn)換控制信號和數(shù)據(jù)信號，仿真結(jié)果非常逼真。

圖3給出了ARM單片機LPC2124驅(qū)動步進電機的Proteus仿真原理圖。

這是一個完整的步進電機驅(qū)動電路，同時可以通過DIGITAL ANALYSIS可以觀察有關(guān)信號的波形，仿真效果接近于工程應(yīng)用實際。KEY1和KEY2分別控制電機的正反轉(zhuǎn)；L297 和L298用于產(chǎn)生符合電機各個相位正確時序的方波及合適的驅(qū)動電流。單片機LPC2124 在本例中只相當(dāng)于一個信號源，提供L297 的時鐘信號。這樣完整的系統(tǒng)仿真是其他單片機仿真軟件所不能獨立完成的。這時，Proteus 為我們提供的不僅僅是一個單片機的仿真環(huán)境，稱其為一個虛擬的單片機實驗室是完全合適的，只要我們能充分的利用Proteus 提供的實驗器件就可以完成一個比較完整的單片機系統(tǒng)。

4結(jié)束語

本文所介紹的只是Proteus 強大功能中很初步的一部分，Proteus 還具有環(huán)境模擬、圖表分析、噪聲分析等高級應(yīng)用。Proteus 的出現(xiàn)為單片機教學(xué)工作和單片機虛擬實驗室的建設(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Proteus 的了解和使用，它會對我們的學(xué)習(xí)、科研和工作帶來更多的便利。

參考文獻

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

[2] 周潤景，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C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講.--北京：電子工業(yè)出版社.，2007.4

[4] 王曉明編著.電動機的單片機控制.--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.單片機接口技術(shù)與應(yīng)用.--北京：清華大學(xué)出版社，2005.3