基于Proteus的SPI接口的設計與實現(xiàn)

引 言

現(xiàn)在，人們生活中的每個角落都有嵌入式設備的存在，比如DVD、移動電話、MP3及掌上電腦等等。這些嵌入式設備多采用32位RISC嵌入式處理器作為核心部件。其中基于ARM核的嵌入式處理器獨占鰲頭，在32位RISC處理器中占據(jù)超過75%的市場份額。因而越來越多的電子愛好者都加入了學習ARM的隊伍中。通過和一般單片機系統(tǒng)開發(fā)過程的比較不難發(fā)現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面，其調(diào)試過程包括軟件調(diào)試、硬件測試、系統(tǒng)調(diào)試3個過程。軟件調(diào)試一般比較容易進行，但是硬件測試和系統(tǒng)調(diào)試則比較麻煩，因為要進行這兩個過程必須在 PCB制作、元器件焊接完畢之后才能進行;而PCB的制作、元器件的焊接是非常費時費力的，如果能采用仿真工具ProteuS VSM，則不用制作具體的電路板也能夠完成以上工作。毫無疑問，這樣可給廣大ARM學習者帶來很大的方便。

1 Proteus簡介

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，是一個電子設計的教學平臺、實驗平臺和創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實驗室、電子技術實驗室、單片機應用實驗室等的全部功能。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。該軟件的特點是：

①實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(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、信號發(fā)生器等。

②支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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Phil-lips公司的ARM(LPC系列)等。

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、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能;同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil、ADS等軟件。

④具有強大的原理圖繪制功能。能夠進行SCH(原理圖)和PCB(印刷板)電路的設計。

2 Proteus環(huán)境下的原理圖設計

Proteus和Protel、EWB等軟件相似，繪制原理圖都要先從器件庫里取出所需的元器件符號并在繪圖區(qū)布局好，同時編輯好元件的參數(shù)，接著進行連線，添加必要的網(wǎng)絡標號等步驟。下面通過一個簡單的實例說明如何使用Proteus軟件實現(xiàn)ARM(以LPC2106為例)系統(tǒng)的設計與仿真。實例以 LPC2106控制器為核心，使用硬件SPI接口與74HC595進行連接，添加必要的外圍電路，控制74HC595驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示。電路原理如圖 1所示。LPC2106的P0.4(/SCK/CAP0.1)、P0.6(/MOSI/CAP0.2)和P0.8(/TxD1/PWM4)分別與 74HC595的SH_CP、DS和ST_CP相連來控制74HC595，74HC595的輸出Q0～Q6分別與數(shù)碼管和LED相連，控制它們的實時顯示。

3 程序代碼的編寫

程序代碼的編寫主要分4個部分進行：

①LPC2106的初始化代碼;

②LPC2106異常向量入口及異常向量與C語言代碼的接口，包括初始化堆棧的代碼;

③LPC2106目標板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標板初始化程序;

④根據(jù)實例要求并結(jié)合原理圖，編寫實現(xiàn)預期功能的代碼，即通常的執(zhí)行代碼，代碼文件保存為“main.C”。

通常為了節(jié)省開發(fā)的時間，一般用設計好的工程模板，這里使用LPC2100系列工程模板。模板中包含LPC2100系列ARM7微控制器的啟動文件，包括 STACK.S、HEAP.S、STARTUP.S和TARGET.C;模板還包含LPC2100系列ARM7微控制器的頭文件，分散加載描述文件(如 mem_a.scf、mem_b.scf和mem_c.scf)等等。這樣在以后的程序代碼編寫時就可以直接使用這些工程模板，而不用再編寫初始、啟動等程序代碼了，只需根據(jù)不同的要求編寫“main.C”就行了，因而節(jié)省了大量時間，大大提高了工作效率。

這里主要說明“main.C”的編寫，要實現(xiàn)的功能是使用硬件SPI接口輸出0～F的數(shù)據(jù)，通過74HC595控制LED數(shù)碼管顯示0～F字符，同時控制4個LED顯示對應的十六進制數(shù)。程序源代碼如下：

4 仿 真

用ADS集成開發(fā)環(huán)境進行程序的編譯連接設置，ADS集成開發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成開發(fā)工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2支持ARM10以前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試，支持匯編、C和C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點。打開ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior IDE，使用事先加入的工程模板建立一個新的工程spi.mcp，把以上編好的代碼文件main.c添加進工程。進行相關設置后，選擇 Projeet→Make命令，編譯并連接工程，生成spi.hex文件。

在原理圖中雙擊微控制器LPC2106，出現(xiàn)一屬性設置窗口Edit Component，如圖2所示。在其中的ProgramFile中添加上面生成的spi.hex文件的路徑，單擊OK完成設置。

點擊原理圖左下角的運行按鈕即開始仿真運行。數(shù)碼管顯示SPI發(fā)送的O～F的數(shù)據(jù)，LED顯示的是相對應的十六進制值。仿真結(jié)果完全符合設計要求。

結(jié) 語

本文結(jié)合一個簡單的SPI接口實驗詳細說明了ProteuS在ARM開發(fā)中的應用?？梢钥闯?，Proteus功能十分強大，能仿真各種數(shù)字模擬電路，且操作簡單，使用方便。使用Proteus進行ARM的虛擬開發(fā)，不僅可以減少實驗硬件資本的投入，還突破了實際開發(fā)板中實驗內(nèi)容的局限性，使開發(fā)者能夠充分發(fā)揮自身的主動性。使用Pro—teus仿真進行系統(tǒng)虛擬開發(fā)成功之后再進行實際制作，無疑可以提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本、提升開發(fā)速度，具有較高的推廣應用價值。