本文結(jié)合實(shí)例，介紹了基于Proteus的單片機(jī)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程。與傳統(tǒng)方法相比，使用Proteus可以提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，具有很好的經(jīng)濟(jì)性、靈活性。
1 引言
單片機(jī)是電子類(lèi)等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要課程，在實(shí)際工程中有著廣泛應(yīng)用。全國(guó)各大中專院校開(kāi)設(shè)了不同類(lèi)型的單片機(jī)課程及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)。在這些專業(yè)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及大學(xué)生電子競(jìng)賽中，單片機(jī)也是一種非常重要的開(kāi)發(fā)工具。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用EDA軟件進(jìn)行電路仿真與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。眾多院校在電路實(shí)踐教學(xué)改革中引入了EDA技術(shù)，并建立了EDA實(shí)驗(yàn)室。配備了EWB、Pspice、Multisim、Protel、MaxPlus II、SystemView等相關(guān)軟件及配套硬件。但這些設(shè)備對(duì)仿真單片機(jī)卻無(wú)能為力。本文介紹的一款EDA軟件——Proteus，則有很大的不同，它的最大特點(diǎn)就是能仿真單片機(jī)。
目前Proteus已在全球廣泛使用。國(guó)外有包括斯坦福、劍橋等在內(nèi)的幾千所高校將Proteus作為電子工程學(xué)科的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；近幾年，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始流傳，有一些大學(xué)正在體驗(yàn)Proteus所帶來(lái)的獨(dú)一無(wú)二的功能并申報(bào)大學(xué)計(jì)劃[1]。
2 Proteus簡(jiǎn)介
Proteus軟件是由英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年的歷史。該軟件集成了高級(jí)原理布圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它是一種混合電路仿真工具，包括模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的仿真等。
Proteus軟件由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件，ARES是一款高級(jí)的布線編輯軟件[2]。ISIS是一個(gè)操作簡(jiǎn)便且功能強(qiáng)大的原理繪圖工具，它整合了SPICE的仿真模型，擁有超過(guò)8000個(gè)元件的龐大庫(kù)結(jié)構(gòu)。ARES則可將ISIS的仿真原理圖生成PCB版圖。
Proteus支持許多通用的微控制器，如PIC系列、AVR系列、8051系列等；同時(shí)它還支持ARM、PLD及各種外圍芯片的仿真，如基于 HD44780芯片的字符LCD、RAM等；具有單步運(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置等調(diào)試功能；能與常用編譯器如Keil、IAR、Proton等協(xié)同調(diào)試；有直流電流表/電壓表、交流電壓表/電流表、示波器邏輯分析儀、頻率計(jì)等虛擬儀器，為仿真中的測(cè)量記錄提供了方便；支持圖形化分析功能，具有頻率特性、傅里葉分析等圖形方式，可將仿真曲線精美地繪制出來(lái)。
3 Proteus應(yīng)用舉例
下面以基于51單片機(jī)的“數(shù)字電壓表”為例，說(shuō)明使用Proteus和Keil軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的過(guò)程。
首先，用Proteus ISIS畫(huà)好電路圖(注意MCU的最小系統(tǒng)的外圍電路在仿真時(shí)可以省略)。并用Keil C51編寫(xiě)相應(yīng)程序，編譯無(wú)誤后生成.hex文件。其次，將生成的.hex文件“下載”到51芯片中，步驟如下：鼠標(biāo)右擊AT89C51，然后左擊，出現(xiàn)相應(yīng)元件的屬性對(duì)話框。如圖1所示，在該對(duì)話框的“Program File”一項(xiàng)中選擇要加入的.hex文件。最后，點(diǎn)擊Play鍵可看到電路仿真結(jié)果(如圖2所示)：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的大小，對(duì)應(yīng)電壓值隨之而呈現(xiàn)線性變化。仿真結(jié)果完全正確。
圖1 AT89C51元件屬性框
圖2 Proteus電路仿真效果圖
此外，Proteus還可以和Keil進(jìn)行聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)設(shè)置步驟如下：
(1)把安裝目錄Proteus\MODELS下的VDM51.dll文件復(fù)制到Keil安裝目錄的\C51\BIN目錄中。
(2)修改Keil安裝目錄下Tools.ini文件，在C51字段加入TDRV5=BIN\VDM51.DLL(“PROTEUS 6 EMULATOR”)并保存。注意：不一定要用TDRV5，根據(jù)原來(lái)字段選用一個(gè)不重復(fù)的數(shù)值就可以了。引號(hào)內(nèi)的名字隨意。
(3)打開(kāi)Proteus，畫(huà)出相應(yīng)電路，在Proteus的“Debug”菜單中選中“Use Remote Debug Monitor”。
(4)進(jìn)入Keil的Project菜單Option for Target‘工程名’。在Debug選項(xiàng)中右欄上部的下拉菜單選中Proteus Driver。再進(jìn)入Settings，機(jī)子IP設(shè)為127.0.0.1，端口號(hào)為8000。
(5)在Keil中進(jìn)行debug，同時(shí)在Proteus中查看直觀的結(jié)果。這樣就可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序了。
由上述例子可以看出，Proteus可以很方便地與Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境連接，程序編譯好之后，立即可以進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真。利用Proteus仿真只需很少設(shè)備，就可以完成小到走馬燈、電子鐘，大到電機(jī)控制系統(tǒng)等單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于使用方便，可以提高學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)然，它有一些不足。比如仿真模型器件庫(kù)中沒(méi)有一些元器件模型，或有的模型由于缺少仿真文件，不能進(jìn)行仿真等[3]。
4 結(jié)語(yǔ)
使用Proteus進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)利大于弊，可以解決單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室硬件投入不足和設(shè)備維護(hù)困難等問(wèn)題，克服實(shí)驗(yàn)箱硬件電路固定、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難于改動(dòng)等局限，有利于促成課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)。
在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我們使用Proteus開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。因此，Proteus有較高的推廣利用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 汪寧. Proteus軟件的單片機(jī)仿真方法[J]. 山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21(1)：24-27.
[2] 林志琦，郎建軍等. 基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006年.
[3] 李海鯤. Proteus在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2006，12：208.
