單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,虛擬單片機實驗室的構建〔電子設計競賽培訓講座〕,主講人：李 進,,單 位：青島科技大學,,前 言,在電子設計競賽培訓中，所遇到的最大困難是動手能力的培訓雖然有各種實驗板、實驗箱，但都不能滿足千變萬化的設計要求而且也不能滿足學生的要求如何能使設計的方案盡快、盡量省錢的看到結果，是我們一直追求的目標為此，我們構建虛擬單片機實驗室，隨時隨地都可以方便的進行單片機實驗Proteus 軟件介紹,Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是由英國 Labcenter 公司開發(fā)〔授權我國風標公司為中國大陸的總代理〕，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設計與仿真平臺PROTEUS,可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和,PCB,設計等全部功能PROTEUS,,軟件包已有近,20,年的使用歷史，在全球擁有龐大的企業(yè)用戶群，是目前惟一能夠對各種處理器進行實時仿真、調試與測試的,EDA,工具，真正實現(xiàn)了在沒有目標原形時就可對系統(tǒng)進行調試、測試與驗證。

PROTEUS,,軟件包大大提高了企業(yè)的開發(fā)效率，降低了開發(fā)風險由于 PROTEUS 軟件包逼真、真實的協(xié)同仿真功能，得到了包括劍橋在內的眾多大學用戶，作為電子學或嵌入式系統(tǒng)的課程教學、實驗和水平考試平臺Labcenter 公司為支持大學進行電子系統(tǒng)的教學，特別推出了大學優(yōu)惠方案，充分降低教育機構使用PROTEUS軟件包用于組建實驗室或培訓室的門檻內容提要,PROTEUS,簡介,,PROTEUS ISIS,,原理圖輸入,,電路仿真與分析,,人性化測量方法,,高級電路設計與仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真概述,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析,,第三方工具的應用,,PROTEUS,與,Keil,整合構建單片機虛擬實驗室,,PROTEUS,綜合應用,,PROTEUS 構成,Proteus 是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設計仿真平臺ISIS為功能強大的原理布線工具ARES PCB設計為一PCB設計系統(tǒng)布線/編輯,,ARES,處理器,,仿真模型,,VSM,高級圖形,,分析模塊,動態(tài),,器件庫,混合模型,,仿真器,原理圖輸入,,系統(tǒng)ISIS,PROTEUS,,ISIS 智能原理圖輸入流程,,設置編輯環(huán)境：用戶可自定義,,圖形外觀，包括線寬、填充類,,型、字符等。

原理圖連線：點擊元件引腳或,,者先前連好的線，就能實現(xiàn)連,,線；也可使用自動連線工具連,,線；,,建立網(wǎng)絡表：網(wǎng)絡表是電路板,,與電路原理圖之間的紐帶建,,立的網(wǎng)表用于,PCB,制板報表輸出：材料報表、,ERC,報,,表等開始,新建設計文檔,設置編輯環(huán)境,放置元器件,原理圖連線,建立網(wǎng)絡表,電氣規(guī)則檢查,存盤、報表輸出,結束,調整,是否合格,N,Y,,741放大器電路,,PTOTEUS VS仿真與分析,PROTEUS VSM中的整個電路分析是在ISIS原理圖設計模塊下延續(xù)下來的，原理圖中包含：,,直接布置在線路上的探針；,,電路鼓勵；,,虛擬儀器；,,曲線圖表——詳細內容,,任何時候都能通過按下運行按鈕或空格對電路進行仿真PROTEUS VSM有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真交互式仿真檢驗用戶所設計的電路是否能正常工作——交互式仿真圖,,基于圖表的仿真用來研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量——基于圖表的仿真,,PROTEUS VSM中的人性化測量,,探針,電壓探針〔Voltage probes〕 -即可在模擬仿真中使用，也可在數(shù)字仿真中使用在模擬電路中記錄真實的電壓值，而在數(shù)字電路中，記錄邏輯電平及其強度。

電流探針〔Current probes〕 - 僅可在模擬電路中使用，并可顯示電流方向探針既可用于基于圖表的仿真，也可用于交互式仿真中,,鼓勵源,DC：直流電壓源；,,Sine：幅值、頻率、相位可控的正弦波發(fā)生器Pulse：幅值、周期和上升/下降沿時間可控的模擬脈沖發(fā)生器Exp：指數(shù)脈沖發(fā)生器SFFM：單頻率調頻波信號發(fā)生器Pwlin：任意分段線性脈沖、信號發(fā)生器File：File信號發(fā)生器數(shù)據(jù)來源于ASCII文件Audio：音頻信號發(fā)生器DState：穩(wěn)態(tài)邏輯電平發(fā)生器DEdge：單邊沿信號發(fā)生器DPulse：單周期數(shù)字脈沖發(fā)生器DClock：數(shù)字時鐘信號發(fā)生器DPattern：模式信號發(fā)生器模擬脈沖鼓勵源,用于為仿真分析產(chǎn)生各種周期輸入信號，包括方波、鋸齒波、三角涉及單周期短脈沖模擬脈沖,,信號輸出,,指數(shù)脈沖鼓勵源,產(chǎn)生與RC充電/放電電路相同的脈沖波指數(shù),,信號輸出,,單頻率調頻波鼓勵源,調頻波,,信號輸出,,Pwlin信號鼓勵源,任意分段線性脈沖、信號發(fā)生器,Pwlin,,信號輸出,,File信號鼓勵源,發(fā)生器的數(shù)據(jù)來源于ASCII文件BAK文件,,信號輸出,,音頻信號鼓勵源,使用Windows WAV 文件作為輸入文件。

結合音頻分析圖表，可以聽到電路對音頻信號處理后的聲音音頻信號,,輸出,,單周期數(shù)字脈沖鼓勵源,數(shù)字脈沖,,信號輸出,,數(shù)字時鐘信號鼓勵源,數(shù)字時鐘,,信號輸出,,數(shù)字模式信號鼓勵源,數(shù)字模式,,信號輸出,,虛擬儀器,虛擬示波器(OSCILLOSCOPE),,邏輯分析儀(LOGIC ANALYSER),,定時計數(shù)器(COUNTER TIMER),,虛擬終端(VIRUAL TERMINAL),,SPI調試器(SPI DEBUGGER),,I2C調試器(I2C DEBUGGER),,信號發(fā)生器(SIGNAL GENERATOR),,模式發(fā)生器(PATTERN GENERATOR),,電壓表和電流表〔AC/DC voltmeters/ammeters〕,,模式發(fā)生器,,模式發(fā)生器,,編碼信號,調試端口輸出,,模式信號,,虛擬終端,,模式發(fā)生器,,編碼信號,虛擬終端輸出模式信號,,信號發(fā)生器〔調幅〕,信號源名稱,補償電壓(V),幅值(V),頻率(Hz),時延(°),（A）,0,1,1K,0,正弦信號,,參數(shù),,調幅信號,,輸出,信號發(fā)生器,,參數(shù)設置,,曲線圖表,模擬圖表〔ANALOGUE〕,,數(shù)字圖表 (DIGITAL),,混合分析圖表 (MIXED),,頻率分析圖表 (FREQUENCY),,轉移特性分析圖表 (TRANSFER),,噪聲分析圖表 (NOISE),,失真分析圖表 (DISTORTION),,傅立葉分析圖表 (FOURIER),,音頻分析圖表 (AUDIO),,交互分析圖表 (INTERACTIVE),,一致性分析圖表 (CONFORMANCE),,直流掃描分析圖表 (DC SWEEP),,交流掃描分析圖表 (AC SWEEP),,基于轉移特性分析圖表的電路分析,,,數(shù)字分析圖表:用于繪制邏輯電平值隨時間變化的曲線，圖表中的波形代表單一數(shù)據(jù)位或總線的二進制電平值 .,,,混合分析圖表:可以在同一圖表中同時顯示模擬和數(shù)字信號的波形.,,,直流掃描分析:可以觀察電路元件參數(shù)值在用戶定義范圍內發(fā)生變化時，對電路工作狀態(tài)〔電壓或電流〕的影響〔如觀察電阻值、晶體管放大倍數(shù)、電路工作溫度等參數(shù)變化對電路工作狀態(tài)的影響〕。

也可以通過掃描鼓勵元件參數(shù)值實現(xiàn)直流傳輸特性的測量交流掃描分析可以建立一組反映元件在參數(shù)值發(fā)生線性變化時的頻率特性曲線主要用來觀測相關元件參數(shù)值發(fā)生變化時對電路頻率特性的影響交互式仿真〔741放大電路〕,交互式電路仿真是電路分析的一個最重要的局部輸入原理圖后，通過在期望的觀測點放置電流/電壓探針，或虛擬儀器，點擊運行按鈕，即可觀測到電路的實時輸出基于圖表的電路仿真與分析〔741放大電路〕,頻率分析：用于繪制小信號電壓增益或電,,流增益隨頻率變化的曲線，即繪制波特圖可描繪電路的幅頻特性和相頻特性模擬分析:用于繪制一條或多條電壓或電流,,隨時間變化的曲線基于圖表的電路仿真與分析〔741放大電路〕,失真分析用于確定由測試電路所引起的電平,,失真的程度，失真分析圖表用于顯示隨頻率,,變化的二次和三次諧波失真電平噪聲分析：顯示隨時間變化的輸入、輸出噪,,聲電壓；可產(chǎn)生單個元件的噪聲電壓清單人性化測量方法,利用不同顏色電路連線顯示相應電壓,,利用箭頭顯示電流方向,探針實時顯示,,電壓/電流值,暫停時，使用Virtual Instruments,,按鈕，可顯示元件參數(shù)信息,,,高級電路設計——子電路及模塊電路,在電路設計中，建立子電路，或模塊電路均可實現(xiàn)電路的層次化。

特殊元件通過電路圖表表示為模塊能夠任意設定層次，將模塊像標準元件或可設置或切除的界面斷口所在的特殊子電路塊一樣繪制出來子電路,模塊電路,,子電路F1電路原理圖,,模塊電路VCO1電路原理圖,子電路或模塊電路均通過端口名稱與主電路連接,,PROTEUS微處理器系統(tǒng)仿真,在基于微處理器系統(tǒng)的設計中，即使沒有物理原型，Proteus VSM也能夠進行軟件開發(fā)模型庫中包含LCD顯示、鍵盤、按鈕、開關等通用外圍設備同時，提供的CPU模型有ARM7、PIC、Atmel AVR、Motorola HCXX以及8051/8052系列單片機系統(tǒng)的仿真是PROTEUS VSM的一大特色同時，本仿真系統(tǒng)將源代碼的編輯和編譯整合到同一設計環(huán)境中，這樣使得用戶可以在設計中直接編輯代碼，并可容易的查看到用戶對源程序修改后對仿真結果的影響VSM甚至能仿真多個CPU，它能便利處理兩個或以上微控制器的聯(lián)結與設計微處理器系統(tǒng)仿真與分析——原理圖輸入,ISIS支持總線結構,Proteus VSM能把微處理器和連接該微,,處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——建立源代碼文件,選擇代碼生成工具,建立新的源代碼文件,定義新的源代碼文件名稱,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——源代碼文件與單片機的鏈接,源代碼編輯,源代碼編譯、鏈接,使用.HEX文件實現(xiàn)源,,程序與單片機的鏈接,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——交互式仿真,實時顯示系統(tǒng)輸出結果,實時顯示元器件,,引腳電平,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——彈出式窗口,源代碼窗口：提供了四種程序執(zhí)行命令按鈕,,程序調試斷點,處理器程序計數(shù)器的當前位置,,內部數(shù)據(jù)存儲器窗口,SFR存儲器窗口,CPU存放器窗口,觀測窗口,,第三方工具的應用,第三方代碼生成工具 :,,Proteus許多共享匯編軟件,,或編譯器可從系統(tǒng)CD上安,,裝到Proteus TOOLS目錄下，,,并且會被自動作為Proteus的,,代碼生成工具。

第三方源代碼編輯器 :PROTEUS VSM 提供了一個簡明的源代碼文本編輯器SRCEDIT ,用戶還可使用第三方源代碼編輯器，如UltraEdit 第三方IDE ：用戶可使用第三方IDE，如IAR‘s Embedded Workbench、 Keil’s uVision 2、Microchip‘s MP-LAB和Atmel’s AVR studio開發(fā)源代碼，并進行編輯，生成可執(zhí)行文件〔如HEX或COD文件〕后切換到Proteus VSM ，然后進行仿真PROTEUS,與,Keil,整合構建單片機虛擬實驗室,PROTEUS特點：,,Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫在Proteus軟件中，理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還可以以圖形的方式實時地顯示線路上變化的信號虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，可減少儀器對測量結果的影響Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號Keil 特點：,全功能的源代碼編輯器；,,器件庫用來配置開發(fā)工具設置；,,工程管理器用來創(chuàng)立和維護用戶的工程；,,集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應用；,,所有開發(fā)工具的設置都是對話框形式的；,,真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調試器；,,高級GDI〔AGDI〕接口用來在目標硬件上進行軟件調試以及和Monitor-51進行通信；,,PROTEUS與Keil聯(lián)調,Keil處于運行狀態(tài),PROTEUS同時,,進入運行狀態(tài),,PROTEUS綜合應用1——基于AT89C52的模糊控制算法的溫控儀設計,采用Pt100溫度傳感器，測溫范圍0--100℃；,,系統(tǒng)可設定溫度值；,,設定溫度值與測量溫度值可實時顯示；,,控溫精度：±0.5℃。

系統(tǒng)結構圖如下圖：,設定輸入,單片機,LED顯示,控制輸出,雙向可,,控硅,繼電器,控制,,對象,風扇,信號調,,理電路,A/D采集,,電路,加熱絲,傳感器,,鉑電阻測溫調理電路,,,A/D接口電路,,,顯示電路,,控制電路,,,,系統(tǒng)總圖,,仿真結果,,輸出控制信號占空比,設定溫度為55℃、實際溫度為54℃時，系統(tǒng)輸出的功率信號,,,,,,,設定溫度為55℃、實際溫度為53℃時，系統(tǒng)輸出的功率信號,,輸出控制信號占空比,設定溫度為55℃、實際溫度為40℃時，系統(tǒng)輸出的功率信號,,,PROTEUS綜合應用2——,基于AT90S8515的頻率測量系統(tǒng)的設計,,HS1101組成的頻率發(fā)生電路；,,AT90S8515頻率測量；,,采用串行通信方式，將頻率值傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)結構如下圖：,HS1101,,頻率發(fā)生,,電路,AVR,,單,,片,,機,MAX232,,電平轉電路,計,,算,,機,RS232,,HS1101構建的頻率發(fā)生電路,,HS1101構建的頻率發(fā)生,,電路的輸出結果圖,,測頻電路總圖,,系統(tǒng)仿真結果圖,,其它方面的應用,,在教學中的應用,,在學生課程設計及畢業(yè)設計中的應用,,在科研中的應用,,詳細內容參見:,,?基于PROTEUS的單片機系統(tǒng)設計與仿真?,,----北航出版社,,2006年4月下旬正式出版,,參考書,,參考書,,以上內容有不當之處，敬請各位同仁指正！青島科技大學 李進2021年7月18日,,,。