单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,虚拟单片机实验室的构建 〔电子设计竞赛培训讲座〕,主讲人：李 进,,单 位：青岛科技大学,,前 言,在电子设计竞赛培训中，所遇到的最大困难是动手能力的培训虽然有各种实验板、实验箱，但都不能满足千变万化的设计要求而且也不能满足学生的要求如何能使设计的方案尽快、尽量省钱的看到结果，是我们一直追求的目标为此，我们构建虚拟单片机实验室，随时随地都可以方便的进行单片机实验Proteus 软件介绍,Proteus 嵌入式系统仿真与开发平台是由英国 Labcenter 公司开发〔授权我国风标公司为中国大陆的总代理〕，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台PROTEUS,可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和,PCB,设计等全部功能PROTEUS,,软件包已有近,20,年的使用历史，在全球拥有庞大的企业用户群，是目前惟一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的,EDA,工具，真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试、测试与验证。
PROTEUS,,软件包大大提高了企业的开发效率，降低了开发风险由于 PROTEUS 软件包逼真、真实的协同仿真功能，得到了包括剑桥在内的众多大学用户，作为电子学或嵌入式系统的课程教学、实验和水平考试平台Labcenter 公司为支持大学进行电子系统的教学，特别推出了大学优惠方案，充分降低教育机构使用PROTEUS软件包用于组建实验室或培训室的门槛内容提要,PROTEUS,简介,,PROTEUS ISIS,,原理图输入,,电路仿真与分析,,人性化测量方法,,高级电路设计与仿真,,微处理器系统仿真,,微处理器系统仿真概述,,微处理器系统仿真与分析,,第三方工具的应用,,PROTEUS,与,Keil,整合构建单片机虚拟实验室,,PROTEUS,综合应用,,PROTEUS 构成,Proteus 是一个完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台ISIS为功能强大的原理布线工具ARES PCB设计为一PCB设计系统布线/编辑,,ARES,处理器,,仿真模型,,VSM,高级图形,,分析模块,动态,,器件库,混合模型,,仿真器,原理图输入,,系统ISIS,PROTEUS,,ISIS 智能原理图输入流程,,设置编辑环境：用户可自定义,,图形外观，包括线宽、填充类,,型、字符等。
原理图连线：点击元件引脚或,,者先前连好的线，就能实现连,,线；也可使用自动连线工具连,,线；,,建立网络表：网络表是电路板,,与电路原理图之间的纽带建,,立的网表用于,PCB,制板报表输出：材料报表、,ERC,报,,表等开始,新建设计文档,设置编辑环境,放置元器件,原理图连线,建立网络表,电气规则检查,存盘、报表输出,结束,调整,是否合格,N,Y,,741放大器电路,,PTOTEUS VS仿真与分析,PROTEUS VSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的，原理图中包含：,,直接布置在线路上的探针；,,电路鼓励；,,虚拟仪器；,,曲线图表——详细内容,,任何时候都能通过按下运行按钮或空格对电路进行仿真PROTEUS VSM有两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于图表的仿真交互式仿真检验用户所设计的电路是否能正常工作——交互式仿真图,,基于图表的仿真用来研究电路的工作状态和进行细节的测量——基于图表的仿真,,PROTEUS VSM中的人性化测量,,探针,电压探针〔Voltage probes〕 -即可在模拟仿真中使用，也可在数字仿真中使用在模拟电路中记录真实的电压值，而在数字电路中，记录逻辑电平及其强度。
电流探针〔Current probes〕 - 仅可在模拟电路中使用，并可显示电流方向探针既可用于基于图表的仿真，也可用于交互式仿真中,,鼓励源,DC：直流电压源；,,Sine：幅值、频率、相位可控的正弦波发生器Pulse：幅值、周期和上升/下降沿时间可控的模拟脉冲发生器Exp：指数脉冲发生器SFFM：单频率调频波信号发生器Pwlin：任意分段线性脉冲、信号发生器File：File信号发生器数据来源于ASCII文件Audio：音频信号发生器DState：稳态逻辑电平发生器DEdge：单边沿信号发生器DPulse：单周期数字脉冲发生器DClock：数字时钟信号发生器DPattern：模式信号发生器模拟脉冲鼓励源,用于为仿真分析产生各种周期输入信号，包括方波、锯齿波、三角涉及单周期短脉冲模拟脉冲,,信号输出,,指数脉冲鼓励源,产生与RC充电/放电电路相同的脉冲波指数,,信号输出,,单频率调频波鼓励源,调频波,,信号输出,,Pwlin信号鼓励源,任意分段线性脉冲、信号发生器,Pwlin,,信号输出,,File信号鼓励源,发生器的数据来源于ASCII文件BAK文件,,信号输出,,音频信号鼓励源,使用Windows WAV 文件作为输入文件。
结合音频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的声音音频信号,,输出,,单周期数字 脉冲鼓励源,数字脉冲,,信号输出,,数字时钟 信号鼓励源,数字时钟,,信号输出,,数字模式信号鼓励源,数字模式,,信号输出,,虚拟仪器,虚拟示波器(OSCILLOSCOPE),,逻辑分析仪(LOGIC ANALYSER),,定时计数器(COUNTER TIMER),,虚拟终端(VIRUAL TERMINAL),,SPI调试器(SPI DEBUGGER),,I2C调试器(I2C DEBUGGER),,信号发生器(SIGNAL GENERATOR),,模式发生器(PATTERN GENERATOR),,电压表和电流表〔AC/DC voltmeters/ammeters〕,,模式发生器,,模式发生器,,编码信号,调试端口输出,,模式信号,,虚拟终端,,模式发生器,,编码信号,虚拟终端输出模式信号,,信号发生器〔调幅〕,信号源名称,补偿电压(V),幅值(V),频率(Hz),时延(°),（A）,0,1,1K,0,正弦信号,,参数,,调幅信号,,输出,信号发生器,,参数设置,,曲线图表,模拟图表〔ANALOGUE〕,,数字图表 (DIGITAL),,混合分析图表 (MIXED),,频率分析图表 (FREQUENCY),,转移特性分析图表 (TRANSFER),,噪声分析图表 (NOISE),,失真分析图表 (DISTORTION),,傅立叶分析图表 (FOURIER),,音频分析图表 (AUDIO),,交互分析图表 (INTERACTIVE),,一致性分析图表 (CONFORMANCE),,直流扫描分析图表 (DC SWEEP),,交流扫描分析图表 (AC SWEEP),,基于转移特性分析图表的电路分析,,,数字分析图表:用于绘制逻辑电平值随时间变化的曲线，图表中的波形代表单一数据位或总线的二进制电平值 .,,,混合分析图表:可以在同一图表中同时显示模拟和数字信号的波形.,,,直流扫描分析:可以观察电路元件参数值在用户定义范围内发生变化时，对电路工作状态〔电压或电流〕的影响〔如观察电阻值、晶体管放大倍数、电路工作温度等参数变化对电路工作状态的影响〕。
也可以通过扫描鼓励元件参数值实现直流传输特性的测量交流扫描分析可以建立一组反映元件在参数值发生线性变化时的频率特性曲线主要用来观测相关元件参数值发生变化时对电路频率特性的影响交互式仿真〔741放大电路〕,交互式电路仿真是电路分析的一个最重要的局部输入原理图后，通过在期望的观测点放置电流/电压探针，或虚拟仪器，点击运行按钮，即可观测到电路的实时输出基于图表的电路仿真与分析〔741放大电路〕,频率分析：用于绘制小信号电压增益或电,,流增益随频率变化的曲线，即绘制波特图可描绘电路的幅频特性和相频特性模拟分析:用于绘制一条或多条电压或电流,,随时间变化的曲线基于图表的电路仿真与分析〔741放大电路〕,失真分析用于确定由测试电路所引起的电平,,失真的程度，失真分析图表用于显示随频率,,变化的二次和三次谐波失真电平噪声分析：显示随时间变化的输入、输出噪,,声电压；可产生单个元件的噪声电压清单人性化测量方法,利用不同颜色电路连线显示相应电压,,利用箭头显示电流方向,探针实时显示,,电压/电流值,暂停时，使用Virtual Instruments,,按钮，可显示元件参数信息,,,高级电路设计——子电路及模块电路,在电路设计中，建立子电路，或模块电路均可实现电路的层次化。
特殊元件通过电路图表表示为模块能够任意设定层次，将模块像标准元件或可设置或切除的界面断口所在的特殊子电路块一样绘制出来子电路,模块电路,,子电路F1电路原理图,,模块电路VCO1电路原理图,子电路或模块电路均通过端口名称与主电路连接,,PROTEUS微处理器系统仿真,在基于微处理器系统的设计中，即使没有物理原型，Proteus VSM也能够进行软件开发模型库中包含LCD显示、键盘、按钮、开关等通用外围设备同时，提供的CPU模型有ARM7、PIC、Atmel AVR、Motorola HCXX以及8051/8052系列单片机系统的仿真是PROTEUS VSM的一大特色同时，本仿真系统将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，这样使得用户可以在设计中直接编辑代码，并可容易的查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响VSM甚至能仿真多个CPU，它能便利处理两个或以上微控制器的联结与设计微处理器系统仿真与分析——原理图输入,ISIS支持总线结构,Proteus VSM能把微处理器和连接该微,,处理器的任何模拟和数字器件协同仿真,,微处理器系统仿真与分析——建立源代码文件,选择代码生成工具,建立新的源代码文件,定义新的源代码文件名称,,微处理器系统仿真与分析——源代码文件与单片机的链接,源代码编辑,源代码编译、链接,使用.HEX文件实现源,,程序与单片机的链接,,微处理器系统仿真与分析——交互式仿真,实时显示系统输出结果,实时显示元器件,,引脚电平,,微处理器系统仿真与分析——弹出式窗口,源代码窗口：提供了四种程序执行命令按钮,,程序调试断点,处理器程序计数器的当前位置,,内部数据存储器窗口,SFR存储器窗口,CPU存放器窗口,观测窗口,,第三方工具的应用,第三方代码生成工具 :,,Proteus许多共享汇编软件,,或编译器可从系统CD上安,,装到Proteus TOOLS目录下，,,并且会被自动作为Proteus的,,代码生成工具。
第三方源代码编辑器 :PROTEUS VSM 提供了一个简明的源代码文本编辑器SRCEDIT ,用户还可使用第三方源代码编辑器，如UltraEdit 第三方IDE ：用户可使用第三方IDE，如IAR‘s Embedded Workbench、 Keil’s uVision 2、Microchip‘s MP-LAB和Atmel’s AVR studio开发源代码，并进行编辑，生成可执行文件〔如HEX或COD文件〕后切换到Proteus VSM ，然后进行仿真PROTEUS,与,Keil,整合构建单片机虚拟实验室,PROTEUS特点：,,Proteus软件提供了数千种元器件和多达30多个元件库在Proteus软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用除了现实存在的仪器外，Proteus还可以以图形的方式实时地显示线路上变化的信号虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，可减少仪器对测量结果的影响Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试这些测试信号包括模拟信号和数字信号Keil 特点：,全功能的源代码编辑器；,,器件库用来配置开发工具设置；,,工程管理器用来创立和维护用户的工程；,,集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；,,所有开发工具的设置都是对话框形式的；,,真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；,,高级GDI〔AGDI〕接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信；,,PROTEUS与Keil联调,Keil处于运行状态,PROTEUS同时,,进入运行状态,,PROTEUS综合应用1—— 基于AT89C52的模糊控制算法的温控仪设计,采用Pt100温度传感器，测温范围0--100℃；,,系统可设定温度值；,,设定温度值与测量温度值可实时显示；,,控温精度：±0.5℃。
系统结构图如下图：,设定输入,单片机,LED显示,控制输出,双向可,,控硅,继电器,控制,,对象,风扇,信号调,,理电路,A/D采集,,电路,加热丝,传感器,,铂电阻测温调理电路,,,A/D接口电路,,,显示电路,,控制电路,,,,系统总图,,仿真结果,,输出控制信号占空比,设定温度为55℃、实际温度为54℃时，系统输出的功率信号,,,,,,,设定温度为55℃、实际温度为53℃时，系统输出的功率信号,,输出控制信号占空比,设定温度为55℃、实际温度为40℃时，系统输出的功率信号,,,PROTEUS综合应用2——,基于AT90S8515的频率测量系统的设计,,HS1101组成的频率发生电路；,,AT90S8515频率测量；,,采用串行通信方式，将频率值传输到计算机系统结构如下图：,HS1101,,频率发生,,电路,AVR,,单,,片,,机,MAX232,,电平转电路,计,,算,,机,RS232,,HS1101构建的频率发生电路,,HS1101构建的频率发生,,电路的输出结果图,,测频电路总图,,系统仿真结果图,,其它方面的应用,,在教学中的应用,,在学生课程设计及毕业设计中的应用,,在科研中的应用,,详细内容参见:,,?基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真?,,----北航出版社,,2006年4月下旬正式出版,,参考书,,参考书,,以上内容有不当之处，敬请各位同仁指正！ 青岛科技大学 李进 2021年7月18日,,,。
