基于Proteus的單片機(jī)虛擬開發(fā)環(huán)境

單片機(jī)是國(guó)內(nèi)大專院校電子技術(shù)類專業(yè)的必修課程之一，很多學(xué)生畢業(yè)之后也在從事單片機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)工作。單片機(jī)的開發(fā)要求設(shè)計(jì)人員具有一定的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和匯編或者C語(yǔ)言的編程能力，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)大專院校都是采取先教學(xué)后實(shí)驗(yàn)的教學(xué)步驟，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中缺少一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)又無法與課本上的知識(shí)聯(lián)系起來，因此造成了時(shí)間與教學(xué)資源的雙重浪費(fèi)。

l Proteus的引入
    伴隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實(shí)際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準(zhǔn)確可靠的保證，同時(shí)節(jié)約了大量的人力和物力。仿真技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展是科技發(fā)展的必然結(jié)果，是現(xiàn)代科技的關(guān)鍵技術(shù)之一，并逐漸成為科技人員的必備技術(shù)。Proteus是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展的仿真系統(tǒng)。Proteus是模擬電路、數(shù)字電路、模／數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)；更是單片機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。它真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖與電路設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到形成PCB的完整的設(shè)計(jì)與仿真過程。它得到了從事單片機(jī)事業(yè)的教師、工程技術(shù)人員以及眾多的大學(xué)生和單片機(jī)技術(shù)愛好者的青睞。
    基于Proteus的單片機(jī)虛擬開發(fā)環(huán)境有效的將理論與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，在這個(gè)開發(fā)環(huán)境里面可以很好地將演示、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，在教學(xué)和具體的工程項(xiàng)目中應(yīng)用這個(gè)開發(fā)環(huán)境不但有助于提高效率，而且可以降低開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。目前在電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造以及軟件開發(fā)等領(lǐng)域都趨向與采用虛擬仿真開發(fā)環(huán)境，虛擬環(huán)境的采用一方面有助于項(xiàng)目的并行開發(fā)提高產(chǎn)品開發(fā)周期，可以提前進(jìn)行一些傳統(tǒng)開發(fā)步驟中的后期工作；另一方面虛擬開發(fā)環(huán)境可以展現(xiàn)產(chǎn)品的雛形，將實(shí)驗(yàn)品的一些實(shí)際問題暴露在虛擬設(shè)計(jì)階段，例如機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SoliWorks與LabView的聯(lián)合可以完成機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件的三維運(yùn)動(dòng)控制、控制邏輯分析、部件碰撞分析等存在風(fēng)險(xiǎn)較大的設(shè)計(jì)工作的模擬，對(duì)于企業(yè)來說降低風(fēng)險(xiǎn)投資和加快產(chǎn)品上市是贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。因此這里闡述的虛擬開發(fā)環(huán)境可以很好地適應(yīng)將來的科研和產(chǎn)品開發(fā)需要，培養(yǎng)開發(fā)人員的虛擬開發(fā)意識(shí)對(duì)于企業(yè)和社會(huì)來說都是一筆重要的知識(shí)財(cái)富。

2．Proteus仿真系統(tǒng)
     Proteus是英國(guó)Labcenter公司的電路分析與實(shí)物仿真軟件，可以仿真、分析(Spice)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：
    (1)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和Spice電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS 232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。
    (2)支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。
    (3)提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 μVision 2等軟件。
    (4)具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。啟動(dòng)Proteus后將出現(xiàn)ISIS的設(shè)計(jì)窗口，如圖1所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕(最下面一行)、預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇器窗口、圖形編輯窗口。

該軟件還具有電路板演示功能，以溫度顯示為例，其演示效果如圖2所示。該演示圖不但有助于教學(xué)工作，還可以幫助企業(yè)降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

3 程序開發(fā)
    這里以AVR單片機(jī)ATmega16和DS18B20為例演示了溫度測(cè)量及其顯示的單片機(jī)程序開發(fā)過程，AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的高性能單片機(jī)，該系列單片機(jī)部分采用16位結(jié)構(gòu)，所有IO口均可單獨(dú)設(shè)置數(shù)據(jù)方向并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻，提高了整體性能和應(yīng)用范圍。在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方面，ICCAVR提供了良好的編程界面，可通過對(duì)可視化選項(xiàng)框的選擇來生成初始化程序，如圖3所示。

在進(jìn)行項(xiàng)目程序開發(fā)時(shí)，只需要選擇所使用的CPU，I／O口的初始方向、定時(shí)器的使用情況、UART以及其他外圍功能模塊做出設(shè)置即可生成響應(yīng)的C語(yǔ)言初始化程序。在完成初始化之后程序員只需要針對(duì)自己的具體應(yīng)用編寫功能程序即可。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±O.5℃。DS1822的精度較差，為±2℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3.0～5.5 V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20與單片機(jī)的接口只有一條線，而且DS18B20的單總線特性只需要一個(gè)單片機(jī)I／O引腳即可支持多個(gè)DS18B20，極大程度地降低了硬件開銷，當(dāng)然較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DSl820進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。其具體流程圖如圖4所示。

 在按照設(shè)計(jì)要求編好程序后，雙擊ISIS Profes-sional窗口中的ATmega16單片機(jī)，將彈出一個(gè)編輯窗口，在程序文件中選擇ICCAVR生成的.hex文件，單擊“OK”。單擊ISIS窗口中的仿真進(jìn)程控制按鈕，出現(xiàn)如圖5所示的仿真結(jié)果。改變DS18B20的溫度，顯示屏將相應(yīng)的顯示。

4 結(jié) 語(yǔ)
    單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)中不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)，掌握單片機(jī)技術(shù)是電子信息類專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)基本條件。這里通過單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)例，論述了Proteus在單片機(jī)教學(xué)和單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)中的地位和作用。Proteus是單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)的高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。學(xué)生可在Proteus ISIS窗口中大膽進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、測(cè)量、調(diào)試、修改。不僅不會(huì)損壞元器件和儀器，且在安裝實(shí)物作品前就可看到結(jié)果。使學(xué)生的獨(dú)立操作能力、主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造力都得到了發(fā)揮?？傊赑roteus的單片機(jī)虛擬開發(fā)環(huán)境有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)；利用仿真系統(tǒng)，不但可以節(jié)約開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本，而且還具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性；也是高校提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平有益的嘗試。