基于Proteus的定位系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

引 言
    隨著單片機(jī)技術(shù)在工控領(lǐng)域及社會(huì)生活的各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用，對(duì)單片機(jī)開(kāi)發(fā)成本及速度的要求也越來(lái)越高。按照傳統(tǒng)的模式，在整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)原理圖，制作硬件電路；然后進(jìn)行軟件編程，通過(guò)仿真器對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試；最后將調(diào)試成功的程序固化到單片機(jī)中。這一過(guò)程的主要問(wèn)題是應(yīng)用程序需要在硬件完成的情況下才能進(jìn)行調(diào)試。雖然有的軟件可以進(jìn)行模擬調(diào)試，但是對(duì)于一些復(fù)雜的程序(如人機(jī)交互程序)，在沒(méi)有硬件時(shí)，界面沒(méi)有真實(shí)感，給調(diào)試帶來(lái)很大困難。在軟硬件的配合中如果需要修改硬件，就必須重新制板?？v觀整個(gè)過(guò)程，無(wú)論是從硬件成本上，還是從調(diào)試周期上，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式的效率都有待提高。能否只使用一種開(kāi)發(fā)工具，兼顧仿真、調(diào)試、制板以及最大限度的軟件模擬來(lái)作為單片機(jī)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而取代編程器、仿真器、成品前的硬件測(cè)試等。
    英國(guó)Labcenter Electronics公司推出的Proteus 6ISIS是專用于開(kāi)發(fā)單片機(jī)的集成軟件，用戶可以在該軟件上簡(jiǎn)捷、高效地設(shè)計(jì)出各種模擬電路、數(shù)字系統(tǒng)、專用IC及各種芯片。在仿真過(guò)程中Proteus 6 ISIS給我們以最大程度上的視覺(jué)感受，為電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和電子系統(tǒng)工程提供了一種全新的手段和便捷的途徑。本文用上述軟件對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和設(shè)計(jì)。

1 定位系統(tǒng)原理及構(gòu)成
1．1 定位系統(tǒng)原理
    定位系統(tǒng)的基本原理是：每顆GPS衛(wèi)星時(shí)刻發(fā)布其位置和時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶接收機(jī)測(cè)量每顆衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸速度就可以計(jì)算出接收機(jī)與不同衛(wèi)星之間的距離。
    GPS模塊接收衛(wèi)星的定位信號(hào)運(yùn)算出自身的位置(經(jīng)度、緯度、高度)，時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、航向)，每秒1次送給單片機(jī)并存儲(chǔ)，以便隨時(shí)提供定位信息。由單片機(jī)控制定位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。
1．2 定位系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    定位系統(tǒng)是基于AT89C52和GARMINGPS25LP的定位測(cè)量系統(tǒng)。其基本功能可分為單片機(jī)對(duì)GPS器件的控制以及顯示采集的信息兩部分。
    系統(tǒng)由3個(gè)功能模塊構(gòu)成：
    ①單片機(jī)系統(tǒng)：采用AT89C52單片機(jī)控制GPS的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示。
    ②外圍電路：一部分是GPS和輔助電路；另一部分是LCD顯示電路。
    ③C51程序：編寫C51程序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制GPS器件完成方位數(shù)據(jù)的采集，并輸出LCD顯示。
    本系統(tǒng)采用的GPS器件為美國(guó)GARMIN公司的GARMINGPS25LP，采用全密封方式，位置精度<15 m，速度精度<0．1 m／s，外形尺寸為46．5 mm×69．5 mm×11．4 mm。GARMINGPS25LP是同類型的GPS OEM板中最常用的一款，在飛機(jī)領(lǐng)域使用很多。GARM-
INGPS25LP有其獨(dú)特的輸出／輸入語(yǔ)句格式。在調(diào)試GPS時(shí)，通過(guò)串口和GPS板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于GPS輸出的也是RS232信號(hào)，因此可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)串口通信程序進(jìn)行讀／寫控制，對(duì)GPS進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。
1．3定位系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    該程序主要功能有兩方面：一方面是使用單片機(jī)與GPS模塊進(jìn)行通信，獲得當(dāng)前的方位數(shù)據(jù)；另一方面是單片機(jī)將所得的數(shù)據(jù)處理成數(shù)值，并發(fā)送到液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。
    此系統(tǒng)的函數(shù)分為4類：主程序、GPS的數(shù)據(jù)通信程 序、液晶驅(qū)動(dòng)程序以及液晶顯示程序。

void show(void)。
    單片機(jī)對(duì)GPS模塊的串行數(shù)據(jù)接收、整理，以及向RAM中寫入數(shù)據(jù)的基本流程如圖1所示。

2 定位系統(tǒng)仿真及設(shè)計(jì)
2．1 定位系統(tǒng)程序調(diào)試
    Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的單片機(jī)，及其外圍電路(如LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、ADPDA、部分SPI器件和I2C器件等)。其自身只帶匯編器，不支持C語(yǔ)言，但可以將它與：Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境連接。用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫的程序編譯好之后，可以立即進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來(lái)調(diào)試程序。結(jié)合Keil C51和Proteus進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件仿真調(diào)試，既可大大縮短單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，又可降低開(kāi)發(fā)調(diào)試成本。
    Proteus中沒(méi)有GARMINGPS25LP，但可以通過(guò)鍵盤模擬GARMINGPS25LP輸出的數(shù)據(jù)格式向單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)。在單片機(jī)AT89C52內(nèi)部通過(guò)程序截取有效信息，然后在LCD(采用HIT公司的LM041L)上循環(huán)顯示虛擬終端模擬GARMINGPS25LP輸出的數(shù)據(jù)，如位置(經(jīng)度、緯度、高度)，時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、航向等)。本系統(tǒng)中截取了經(jīng)度(Longitude)=27．34，緯度(Lati-tude)=34．45，速度(Velocity)=120km／h， 航 向(Course)=10．24時(shí)的仿真電路原理圖，如圖2所示。

2．2 定位系統(tǒng)PCB
    Proteus軟件本身有PCB設(shè)計(jì)功能，可以生成多種格式的文件，供相應(yīng)的專業(yè)PCB設(shè)計(jì)工具調(diào)用，從而很方便地進(jìn)行后續(xù)PCB的設(shè)計(jì)。當(dāng)仿真調(diào)試成功后，可利用Proteus 6 Professional中的ARES 6 Professional進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)與制作。ISIS和ARES高度集成，PCB封裝可以直接從ARES庫(kù)中提取，引腳信息可以通過(guò)虛擬封裝工具直接輸入。
    用Proteus制作PCB通常包括以下步驟：
    ①加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝；
    ②規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；
    ③元件布局及調(diào)整；
    ④布線并調(diào)整；
    ⑤輸出及制作PCB。
    雖然庫(kù)中沒(méi)有GARMINGPS25LP的引腳封裝，但可以通過(guò)自建庫(kù)或選擇相近封裝。

結(jié) 語(yǔ)
    本文介紹了一種基于Proteus軟件的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的實(shí)現(xiàn)方法。單片機(jī)定位系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程充分說(shuō)明，采用該方法可以大大簡(jiǎn)化硬件電路測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，電路板制作、元器件安裝、焊接等過(guò)程。使用該方法進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開(kāi)發(fā)、成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，無(wú)疑要以提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本，提升開(kāi)發(fā)速度，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有實(shí)用意義。