Proteus 仿真軟件在智能儀器儀表課程中的應(yīng)用

【摘要】針對(duì)智能儀器儀表設(shè)計(jì)中硬件成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，提出在課程教學(xué)中采用Proteus 仿真軟件進(jìn)行儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)思路，它相比實(shí)際硬件制板的開(kāi)發(fā)效率大為提高，也不受實(shí)驗(yàn)箱硬件資源、結(jié)構(gòu)和功能的限制，幫助學(xué)生很快實(shí)現(xiàn)從理論概念到真實(shí)儀器的突破。教學(xué)實(shí)踐表明，使用Proteus 仿真軟件進(jìn)行儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使教學(xué)效果大為提高。

【關(guān)鍵詞】Proteus 仿真 儀器設(shè)計(jì) 元器件

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）11-0222-02

智能儀器儀表課程是一門(mén)涉及多個(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)、綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1，2]。學(xué)生必須親自動(dòng)手設(shè)計(jì)硬件電路、編制軟件程序，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試才能達(dá)到良好的教學(xué)效果，這一過(guò)程不僅周期較長(zhǎng)，而且儀器系統(tǒng)硬件投入成本較大；同時(shí)對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很難保證硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的正確性，出現(xiàn)問(wèn)題后很難確定故障來(lái)源，這給儀器的調(diào)試帶來(lái)困難?！肮び破涫?，必先利其器”，如能使用軟硬件一體化的仿真軟件進(jìn)行儀器的仿真設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性不僅能收到事倍功半的效果，同時(shí)硬件成本也大為降低。Proteus作為目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，在智能化儀器儀表課程的硬件設(shè)計(jì)中可以大有作為，它使學(xué)生在這一環(huán)境中可以隨心所欲地設(shè)計(jì)自己的儀器，不受物理器件的限制；同時(shí)，利用針對(duì)51系列兼容單片機(jī)的C語(yǔ)言軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil C μVersion，可以開(kāi)發(fā)儀器程序；二款軟件有機(jī)配合，使本門(mén)課程達(dá)到在學(xué)中做、做中學(xué)、邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)的目的，可以收到立竿見(jiàn)影的教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.軟件介紹

Proteus是一款電路仿真軟件，它由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)仿真包括單片機(jī)、ARM在內(nèi)的多種微處理器系統(tǒng)，是目前世界上比較先進(jìn)和完整的嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件仿真平臺(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，是目前能夠?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工具之一。Proteus軟件由兩部分組成：一部分是智能原理圖輸入系統(tǒng)ISIS（Intelligent Schematic Input System）和虛擬模型系統(tǒng)VSM（Virtual Model System）；另一部分是高級(jí)布線及編輯軟件ARES（Advanced？ Routing and Editing Software），用于設(shè)計(jì)印刷線路板（PCB）。

Proteus支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，比較常用的是Keil C51 uVision 開(kāi)發(fā)軟件。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的針對(duì)51系列兼容單片機(jī)的C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil C μVersion的版本不斷更新，現(xiàn)在使用較普遍的是Keil C μVision4軟件，它支持眾多不同公司的微處理器芯片，集編輯、編譯和程序仿真于一體，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、軟件仿真方面具有很好的功能。

Proteus軟件用于構(gòu)建智能化儀器儀表的硬件環(huán)境[3]，Keil軟件主要用于構(gòu)建軟件環(huán)境，二者經(jīng)過(guò)有機(jī)配合，可以進(jìn)行儀器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)試，這樣就可以構(gòu)建一個(gè)智能化儀器儀表的虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)，驗(yàn)證軟硬件設(shè)計(jì)方案的正確性，使儀器研發(fā)取得事半功倍的效果。

2.Proteus軟件仿真的的優(yōu)勢(shì)

在智能化儀器儀表課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)包含單片機(jī)的串口通信、外部中斷、并行口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等方面的內(nèi)容，需要擴(kuò)展外圍驅(qū)動(dòng)電路、功能芯片和終端設(shè)備如LED、LCD、蜂鳴器等才能組成儀器系統(tǒng)。如果初學(xué)者開(kāi)始就加工制板，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，首先電路板加工完后，具有不可逆性，功能固定，很難重復(fù)利用；二是器件焊接后難以拆取，不便于更換；三是電路設(shè)計(jì)的正確性難以保證，不能方便更改設(shè)計(jì)方案。這些不僅增加了硬件成本，而且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，學(xué)生的收獲也會(huì)事倍功半。如果利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)，在不考慮其價(jià)格的情況下，由于硬件實(shí)驗(yàn)箱資源、結(jié)構(gòu)、功能都已固定，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然可以直觀的看到一些物理元器件，并動(dòng)手進(jìn)行端子連接、操作按鈕等實(shí)踐活動(dòng)，但對(duì)儀器系統(tǒng)的接口電路設(shè)計(jì)很難有全面的概念，無(wú)法將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通，不會(huì)實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的突破[4，5]。采用Proteus 軟件仿真給初學(xué)者進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，首先設(shè)計(jì)方案可以隨時(shí)改變，元器件可以隨意更換，不受固定板子的限制，可以反復(fù)糾正錯(cuò)誤、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，沒(méi)有硬件成本的顧慮；二是整個(gè)儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程都需要學(xué)生自己規(guī)劃方案、選擇器件、進(jìn)行接口連接，很容易幫助幫助學(xué)生建立起整體系統(tǒng)的概念，達(dá)到融會(huì)貫通的目的；三是不同儀器的電路有共性特征，可以把已有的設(shè)計(jì)方便的改造成其它儀器；最后Proteus 提供了豐富的仿真工具，包括探針、多種激勵(lì)源、可視化顯示器件等，具備硬件實(shí)驗(yàn)箱所沒(méi)有的功能，給學(xué)生進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)提供了便利手段。

3.仿真儀器設(shè)計(jì)實(shí)例

下面通過(guò)四通道數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明利用Proteus設(shè)計(jì)儀器的過(guò)程。

3.1功能要求

（1）采用四路16位高精度ADC芯片ADS7825完成對(duì)四路模擬量信號(hào)的采集，模擬電壓信號(hào)采用電位器進(jìn)行模擬，輸入電壓范圍0～10.24V。

（2）采用Proteus中的字符點(diǎn)陣液晶顯示器LM044L作為輸出器件，分行顯示各通道的采集的數(shù)據(jù)，其格式如圖1中LCD所示。

3.2 電路設(shè)計(jì)

Proteus 在繪制硬件原理圖時(shí)與DXP、EWB 等類(lèi)似，都要先從軟件包的器件庫(kù)里選取所需的元器件，然后拖放在繪圖區(qū)適當(dāng)?shù)奈恢?，最后編輯元器件的參?shù)，并實(shí)現(xiàn)電路連線等步驟。

按照功能要求要求，列出所需的元器件清單，如表1 所示。

根據(jù)清單，將元件庫(kù)中的符號(hào)模型添加到對(duì)象選擇器窗口，在Proteus ISIS工作區(qū)繪制原理圖并設(shè)置如表1中所示各元件參數(shù)，完整硬件電路原理圖如圖1所示。圖中電路可分為四個(gè)主要部分：AT89C51的復(fù)位電路、模擬量輸入電路、AT89C51與ADS7825轉(zhuǎn)換器的接口電路和AT89C51與LCD的接口電路。ADS7825與AT89C511單片機(jī)的引腳連接關(guān)系可由圖1看出，通道選擇由P3.1和P3.0組合控制，單片機(jī)P2口在傳送高8位地址的過(guò)程中，對(duì)ADS7825的控制命令也附加在其間，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS7825的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)讀取等操作。很明顯這里ADS7825與MCS-51單片機(jī)的連接屬于并行存儲(chǔ)器擴(kuò)展連接范疇，按照ADS7825的時(shí)序要求及存儲(chǔ)器擴(kuò)展地址確定方法，可以確定轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端口、高8位數(shù)據(jù)讀取端口和低8位數(shù)據(jù)讀取端口的地址分別為8FFF、9FFF和BFFF。

3.3軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)查詢(xún)方式讀取ADS7825 的轉(zhuǎn)換結(jié)果，由于轉(zhuǎn)換結(jié)果為十六位數(shù)據(jù)，所以必須分兩次來(lái)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位和低8位數(shù)據(jù)，然后再將高8位和低8位拼接成16位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)量度變換后輸出到LCD上進(jìn)行顯示。

軟件分為三個(gè)部分：主函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)、LCD顯示函數(shù)

主函數(shù)主要完成液晶顯示器的初始化、分通道數(shù)據(jù)采集及送顯示任務(wù)，主函數(shù)流程如圖2（1）所示。

數(shù)據(jù)采集函數(shù)實(shí)現(xiàn)不同通道數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，首先發(fā)出對(duì)應(yīng)通道的P3.1、P3.0輸出值，然后發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，AD開(kāi)始工作后要不斷查詢(xún)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，轉(zhuǎn)換結(jié)束后分別讀取數(shù)據(jù)的高8位和低8位，并組合成16位數(shù)據(jù)，接著要進(jìn)行整型數(shù)據(jù)到字符串的轉(zhuǎn)換，這樣做的目的是為了滿(mǎn)足液晶顯示器顯示字符的需要。該函數(shù)流程如圖2（2）所示。

LCD顯示函數(shù)較為簡(jiǎn)單，主要完成把各通道采集的數(shù)據(jù)送到LCD對(duì)應(yīng)的行位置顯示。

3.4仿真效果

在Keil μVision4下進(jìn)行程序編輯，將生成的HEX加載到Proteus的單片機(jī)中，然后進(jìn)行仿真運(yùn)行，調(diào)節(jié)四個(gè)電位器，可以看到液晶顯示器上顯示各通道數(shù)據(jù)的變化情況，圖1中LCD顯示的數(shù)字是電位器在某一位置時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4.結(jié)論

利用Proteus 仿真軟件進(jìn)行智能儀器儀表的設(shè)計(jì)不存在硬件材料消耗和元器件質(zhì)量影響、損壞等問(wèn)題，所做設(shè)計(jì)具有重構(gòu)性，它豐富的器件庫(kù)和強(qiáng)大的仿真功能可以幫助學(xué)生更快、更好地學(xué)習(xí)、掌握儀器設(shè)計(jì)的精髓，較快實(shí)現(xiàn)從理論抽象到具體儀器跨越，預(yù)先看到“真實(shí)的儀器”，為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了捷徑，對(duì)智能儀器儀表課程的教學(xué)起到事半功倍的效果。

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