Proteus仿真圖表在單片機(jī)時(shí)序分析中的應(yīng)用

王 超, 宋莉莉

(昌吉學(xué)院 物理系, 新疆 昌吉 831100)

0 引 言

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)踐教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些隱含性錯(cuò)誤，花費(fèi)很多時(shí)間仍然很困難發(fā)現(xiàn)。借助proteus仿真軟件，可以觀察到電路中各點(diǎn)波形的時(shí)序變化情況，并且能以圖表的形式保留在電路中，能迅速準(zhǔn)確地找到錯(cuò)誤原因。另外，利用仿真軟件在沒有硬件的環(huán)境下建立虛擬仿真平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的調(diào)試功能可以加快開發(fā)進(jìn)程，更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)，為教學(xué)、實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)方便靈活的環(huán)境，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且仿真成功的電路基本上可在產(chǎn)品開發(fā)中使用[1-4]。

1 Proteus 仿真軟件及A/D轉(zhuǎn)換器原理

Proteus ISIS是英國Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合，是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)，目前最新版本是Proteus8.0[5-8]。

TI公司的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543具有11路模擬輸入通道，能夠?qū)崿F(xiàn)可編程的MSB或LSB前導(dǎo)和可編程的輸出數(shù)據(jù)長度的功能，TLC2543每次轉(zhuǎn)換都必須先寫入命令字，以便確定下一次轉(zhuǎn)換用哪個(gè)通道，下次轉(zhuǎn)換結(jié)果用多少位輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是低位在前還是高位在前，命令字格式如下[9-10]：

D7D6D5D4D3D2D1D0

高4位(D7～D4)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)從11個(gè)模擬輸入通道中選擇的位數(shù)，或從3個(gè)內(nèi)部自測電壓中選擇一個(gè)以便對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)等；D3﹑D2選擇A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)輸出位數(shù)；D1位用于選擇輸出數(shù)據(jù)的傳送方式，即下一個(gè)I/O周期，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)是以低位在前或高位在前的方式串行輸出；D0設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是以單極性還是雙極性二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。

2 Proteus 基于圖表的仿真步驟

(1) 在電路中被測點(diǎn)添加電壓探針,或者在被測支路添加電流探針；

(2) 選擇放置波形的種類，常見的有ANALOGUE(模擬波形) 、DIGITAL(數(shù)字波形)、MIXED(模數(shù)混合波形)、FREQUENCY(頻率響應(yīng)) 、DISTORTION(失真分析) 和FOURIER(傅立葉分析)等,并在原理圖中拖出用于生成仿真波形的圖表框[11-12]；

(3) 在圖表框中添加探針；

(4) 設(shè)置圖表屬性，Start time為仿真開始時(shí)間，通常為0，Stop time 為仿真結(jié)束時(shí)間,根據(jù)波形輸出需要確定時(shí)間[13-15]；

(5) 單擊圖表仿真按鈕生成所加探針對(duì)應(yīng)的波形；

(6) 分析波形并打印輸出。

3 仿真實(shí)例及波形時(shí)序分析

圖1 硬件電路圖

3.1 仿真過程

依次在TLC2543的SDO、SDI、CS、CLK、EOC上添加電壓探針，使電壓探針與被測點(diǎn)電壓點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并為放置的各電壓探針命名，分別為U2(CLK)、U2(SDI)、U2(SDO)、U2(CS)和U2(EOC)。

選擇圖形的種類:因要觀察的是模擬數(shù)字混合波形，所以選擇MIXED，并在原理圖中繪制圖表框，依次在圖表框中添加已經(jīng)命名過的探針，在圖表屬性中可以根據(jù)需要設(shè)置停止時(shí)間Stop time，在此設(shè)置為2 s，以便完整的觀察波形變化情況，單擊圖表仿真生成的仿真波形如圖2所示。圖2中，下半部分為模擬波形，上半部分為數(shù)字波形。

3.2 仿真圖表分析

右鍵單擊選擇窗口最大化，會(huì)出現(xiàn)快捷工具欄，利用它可以實(shí)現(xiàn)編輯圖形、圖形移動(dòng)、放大縮小和查看仿真記錄等，在仿真波形輸出窗口中X軸為時(shí)間軸，其長度由仿真時(shí)間決定，時(shí)間軸的單位是s，利用放大或縮小操作來修改其顯示的時(shí)間，可以達(dá)到ns級(jí)單位，對(duì)分析單片機(jī)的時(shí)序極為有利，Y軸是高低電平顯示和電壓顯示軸。

圖2 仿真圖表波形圖

圖3 調(diào)試窗口

通過8051 CPU Source Code代碼調(diào)試窗口中可以看到時(shí)鐘信號(hào)CLK信號(hào)的變化周期，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12 MHz，1個(gè)周期內(nèi)CLK 高電平持續(xù)時(shí)間為執(zhí)行1條指令SETB的時(shí)間，即1 μs，低電平持續(xù)時(shí)間為執(zhí)行6條指令的時(shí)間即7 μs，CLK低電平與CLK高電平之間的間隔時(shí)間為7 μs，從仿真波形圖4中觀察的結(jié)果與指令分析一致。

圖4 CLK波形變化周期

圖5 轉(zhuǎn)換結(jié)果波形分析

轉(zhuǎn)換速率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)一個(gè)非常重要的參數(shù)，它是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，如何獲得A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間tconv成為關(guān)鍵，根據(jù)TLC2543手冊(cè)提供的技術(shù)參數(shù)，轉(zhuǎn)換時(shí)間tconv是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC在轉(zhuǎn)換期間兩次高電平之間低電平維持的時(shí)間，放大仿真波形中EOC時(shí)序部分，將時(shí)間軸以u(píng)s顯示，將光標(biāo)定位于EOC高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)刻測量時(shí)間為207.915 835 000 μs， EOC由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)刻測量的時(shí)間為217.915 834 978 0 μs，tconv=9.999 999 978 μs，與TLC2543手冊(cè)中tconv中描述的典型值為8us，最大值為10 μs一致。仿真波形如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)換時(shí)間分析圖

4 結(jié) 語

借助Proteus中的仿真圖表來分析單片機(jī)的時(shí)序，能實(shí)時(shí)觀察到單片機(jī)與外設(shè)接口之間信號(hào)的變化，可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過程的定性分析，有助于發(fā)現(xiàn)一些難以查找到的隱含性錯(cuò)誤，縮短開發(fā)周期，提高分析問題的能力。

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