用Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真軟件輔助單片機(jī)教學(xué)

文章編號(hào)：1672-5913(2008)18-0031-02

摘要：Proteus仿真軟件能夠在通用PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)單片機(jī)項(xiàng)目的仿真設(shè)計(jì)和調(diào)試，用該軟件輔助單片機(jī)教學(xué)可以節(jié)約教學(xué)資源，提高學(xué)習(xí)效果。本文介紹了我院在使用Proteus仿真軟件輔助單片機(jī)教學(xué)方面的一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：Proteus軟件；單片機(jī)；仿真軟件；輔助教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

傳統(tǒng)的單片機(jī)理論課教學(xué)中，在課堂上演示單片機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試幾乎不可能；在傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用硬件仿真器、實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，需采購(gòu)大量的、昂貴的硬件設(shè)備，而且設(shè)備維護(hù)工作量也非常大。而且單片機(jī)的種類(lèi)繁多，再加上資金的限制，不可能在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室包括所有種類(lèi)的單片機(jī)仿真設(shè)備以及各種外圍電路，因此學(xué)生能做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受到限制。而采用Proteus仿真軟件輔助單片機(jī)教學(xué)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)方法的不足。

1Proteus仿真軟件介紹

Proteus是由英國(guó)Labcenter electronics公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，是一種EDA工具軟件。Proteus安裝以后，主要由兩個(gè)程序組成：ARES和ISIS。前者主要用于PCB自動(dòng)或人工布線(xiàn)及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應(yīng)的仿真。Proteus革命性的功能在于它的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件代碼級(jí)的調(diào)試，還可以直接實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地模擬按鈕、鍵盤(pán)的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時(shí)配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量和觀測(cè)。

作為一款EDA仿真軟件，Proteus與同類(lèi)軟件有著很多的相似之處。相比之下，其主要的特點(diǎn)有兩個(gè)：一是對(duì)動(dòng)態(tài)元件的實(shí)時(shí)仿真，它對(duì)“人機(jī)對(duì)話(huà)”的模擬增強(qiáng)了系統(tǒng)的真實(shí)性；二是虛擬工具箱的功能，它能與仿真同時(shí)進(jìn)行，測(cè)量方便而準(zhǔn)確。

與多數(shù)EDA仿真軟件相似，Proteus有著數(shù)量龐大的元件庫(kù)。在豐富的庫(kù)元件的支持下，原理布圖時(shí)只要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用和連線(xiàn)，通過(guò)對(duì)每個(gè)元件的屬性設(shè)置完成繪圖，然后即可進(jìn)行仿真和虛擬測(cè)量。與其它EDA仿真軟件的一大不同，在于Proteus支持微處理器的仿真。它可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用的微處理器。對(duì)動(dòng)態(tài)外設(shè)的支持是Proteus區(qū)別于其他EDA仿真軟件最直接的地方。Proteus為用戶(hù)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)交互的環(huán)境，在仿真的過(guò)程中你可以用鼠標(biāo)去點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)和按鈕，微處理器根據(jù)輸入的信號(hào)做出相應(yīng)的中斷響應(yīng)，同時(shí)輸出運(yùn)算的結(jié)果到顯示終端。整個(gè)過(guò)程與真實(shí)的硬件調(diào)試是極其相似的，在動(dòng)態(tài)外設(shè)支持下的實(shí)時(shí)輸入和輸出為實(shí)驗(yàn)者呈現(xiàn)了一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)的調(diào)試環(huán)境。

Proteus的虛擬工具箱提供了電路測(cè)試中的常用工具和儀器，主要用于在實(shí)時(shí)仿真的同時(shí)觀測(cè)電路參數(shù)，測(cè)量結(jié)果隨仿真動(dòng)態(tài)變化并顯示，可以滿(mǎn)足精度要求不是很高的測(cè)量分析，對(duì)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(cè)試時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本。

2Proteus 在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

在單片機(jī)教學(xué)中引入Proteus仿真軟件，可以使學(xué)生建立直觀的仿真思想。利用仿真的形象、生動(dòng)、實(shí)在等特性，會(huì)對(duì)教學(xué)產(chǎn)生積極的影響。

2.1在課堂講授中的應(yīng)用

單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中必須軟件和硬件結(jié)合。一般理論課堂難以輔助硬件進(jìn)行教學(xué)，利用Proteus仿真軟件和現(xiàn)有的多媒體教學(xué)設(shè)備(一臺(tái)電腦和一臺(tái)投影儀)，便能在課堂中完成軟件、硬件和系統(tǒng)集成等內(nèi)容的教學(xué)，這是以往我們無(wú)法做到的。

在進(jìn)行多媒體教學(xué)時(shí)，可設(shè)計(jì)大量的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，用Proteus軟件演示從單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)到軟件調(diào)試的全過(guò)程，并演示運(yùn)行結(jié)果。

2.2在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)通常在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，然而由于各種原因，許多高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備更新難于跟上，難于滿(mǎn)足實(shí)踐教學(xué)的要求。而且由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在著場(chǎng)地和時(shí)間等問(wèn)題，學(xué)生除了上課外，平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐。個(gè)人配備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，因成本較高，很多學(xué)生無(wú)法承受。同時(shí)一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱由于是成品，學(xué)生很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中去，學(xué)生動(dòng)手能力很難得到訓(xùn)練與提高。

在實(shí)踐教學(xué)中引入Proteus仿真軟件，可以建立先進(jìn)的單片機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室。Proteus仿真軟件可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用的微處理器，并提供了幾乎所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要的外圍電路和器件，如LED、LCD、RAM、ROM、鍵盤(pán)、電機(jī)、AD/DA、部分SPI器件、部分I2C器件等，學(xué)生在機(jī)房的通用PC機(jī)上可以進(jìn)行單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試和PCB設(shè)計(jì)。利用課余時(shí)間，學(xué)生甚至可以在寢室里自己的PC機(jī)上進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和調(diào)試，極大地開(kāi)拓了單片機(jī)學(xué)習(xí)的空間，降低了單片機(jī)的學(xué)習(xí)成本，提高了學(xué)習(xí)效果。此外，采用Proteus仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)還有一個(gè)好處，就是不存在器件損耗問(wèn)題，從而也大大節(jié)約了教學(xué)資源。

單片機(jī)的后續(xù)課程為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，有的學(xué)生可能參加電子設(shè)計(jì)賽前培訓(xùn)，采用Proteus仿真軟件后，學(xué)生先通過(guò)軟件仿真，再進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，可以避免由于設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤所造成的硬件投入上的浪費(fèi)。

2.3應(yīng)用實(shí)例

使用單片機(jī)來(lái)控制流水燈是學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的經(jīng)典例子，例子簡(jiǎn)單卻能讓初學(xué)者對(duì)單片機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方法有一個(gè)比較全面的了解，為以后進(jìn)行復(fù)雜的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)打好基礎(chǔ)。

(1) 創(chuàng)建流水燈仿真電路

運(yùn)行Proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。單擊元件列表區(qū)的P命令即彈出元器件選擇(Pick Devices)對(duì)話(huà)框，調(diào)入所需元件仿真庫(kù)。將電路中的所用元件從元器件庫(kù)中調(diào)出來(lái)，放到繪圖區(qū)，布局并設(shè)置好參數(shù)，然后連接導(dǎo)線(xiàn)，繪制完成的流水燈仿真電路如圖1所示。

(2) 軟件編程

8051系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)可用的軟件平臺(tái)有多種，其中Keil C51是目前世界上最優(yōu)秀、最強(qiáng)大的51單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，有很多國(guó)內(nèi)高校用南京偉福公司的Wave軟件。不論用哪種軟件平臺(tái)，只要程序編譯成功后得到HEX目標(biāo)文件，把該目標(biāo)文件與仿真電路進(jìn)行關(guān)聯(lián)(在Proteus繪圖區(qū)中打開(kāi)51單片機(jī)的編輯對(duì)話(huà)框，在Program File項(xiàng)中加入HEX文件后點(diǎn)擊OK按鈕)，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。

(3) 系統(tǒng)仿真

Proteus可以總體仿真運(yùn)行，也可以單步或者設(shè)置斷點(diǎn)仿真調(diào)試。在Proteus中，我們能清楚地觀察到單片機(jī)系統(tǒng)在工作過(guò)程中，各硬件所處實(shí)時(shí)狀態(tài)，在仿真過(guò)程中，對(duì)于連接到每個(gè)數(shù)字或混合網(wǎng)絡(luò)上的引腳，用有色小方塊顯示其狀態(tài)：藍(lán)色表示低電平，紅色表示高電平，灰色表示浮空，黃色表示沖突(如兩個(gè)器件同時(shí)向總線(xiàn)上傳送數(shù)據(jù))。這給用戶(hù)調(diào)試、演示帶來(lái)了方便，可以隨時(shí)觀察每一步操作所引起的結(jié)果。

如圖2所示是流水燈仿真電路運(yùn)行時(shí)某時(shí)刻的截圖，根據(jù)圖中電路的連接情況，當(dāng)連接有發(fā)光二極管的單片機(jī)引腳輸出低電平時(shí)(藍(lán)色方塊)，燈亮；輸出高電平時(shí)(紅色方塊)，燈滅。仿真運(yùn)行時(shí)，燈輪流點(diǎn)亮，形成流水燈的效果。

3結(jié)束語(yǔ)

Proteus仿真軟件不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。在程序調(diào)試、系統(tǒng)仿真時(shí)，不僅能觀察到程序執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器等內(nèi)容變化，而且從工程的角度直觀地看到了外圍電路工作情況，非常接近實(shí)際工程應(yīng)用。Proteus附帶有大量的范例，可供學(xué)習(xí)者參考處理。使用Proteus仿真軟件使單片機(jī)學(xué)習(xí)者僅在通用PC機(jī)上就能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)項(xiàng)目的仿真設(shè)計(jì)和調(diào)試，突破了傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)在時(shí)間、場(chǎng)地和資金等方面的限制，可以節(jié)約教學(xué)資源、提高學(xué)習(xí)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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