單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真(圖)

本文從單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)實(shí)例出發(fā)，介紹了如何利用PROTEUS高效、正確地完成單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與仿真。

PROTEUS是單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)
PROTEUS是英國(guó)Labcenter electronics公司研發(fā)的多功能EDA軟件,它具有功能很強(qiáng)的ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)，有非常友好的人機(jī)互動(dòng)窗口界面；有豐富的操作菜單與工具。在ISIS編輯區(qū)中，能方便地完成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、單片機(jī)源代碼級(jí)調(diào)試與仿真。

PROTEUS有三十多個(gè)元器件庫，擁有數(shù)千種元器件仿真模型；有形象生動(dòng)的動(dòng)態(tài)器件庫、外設(shè)庫。特別是有從8051系列8位單片機(jī)直至ARM7 32位單片機(jī)的多種單片機(jī)類型庫。它們是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)。

PROTEUS有多達(dá)十余種的信號(hào)激勵(lì)源，十余種虛擬儀器。還有用來精確測(cè)量與分析的PROTEUS高級(jí)圖表仿真（ASF）。它們構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

PROTEUS還有使用極方便的印刷電路板高級(jí)布線編輯軟件（PCB）。特別指出，PROTEUS庫中數(shù)千種仿真模型是依據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)來建模的。因此，PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真極其接近實(shí)際。

目前，PROTEUS已成為流行的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，應(yīng)用于各種領(lǐng)域。筆者就利用PROTEUS完成了多種產(chǎn)品的開發(fā)，例如：“微電腦（單片機(jī)）防盜報(bào)警器”、“純水機(jī)微電腦控制板”、“LED漢字顯示屏”、“雙單片機(jī)控制的萬年歷倒計(jì)時(shí)牌”等。實(shí)踐證明：PROTEUS是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)的靈活、高效、正確的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，它明顯提高了研發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本。

PROTEUS改革了單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)過程
單片機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)開發(fā)過程一般可分為三步：

①單片機(jī)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，選擇、購(gòu)買元器件和接插件，安裝和電氣檢測(cè)等（簡(jiǎn)稱硬件設(shè)計(jì)）；

②進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，調(diào)試、匯編編譯等（簡(jiǎn)稱軟件設(shè)計(jì)）；

③單片機(jī)系統(tǒng)在線調(diào)試、檢測(cè)，實(shí)時(shí)運(yùn)行直至完成（簡(jiǎn)稱單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試）。

PROTEUS促進(jìn)了單片機(jī)產(chǎn)品研發(fā)過程的改革，有PROTEUS參與的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程一般分為四步：

①在PROTEUS 平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測(cè)等（簡(jiǎn)稱PROTEUS 電路設(shè)計(jì)）；

②在PROTEUS平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)源程序設(shè)計(jì)、編輯、匯編編譯、調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件（*.hex）（簡(jiǎn)稱PROTEUS 軟件設(shè)計(jì)）；

③在PROTEUS平臺(tái)上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互、協(xié)同仿真（簡(jiǎn)稱PROTEUS 仿真）；

④仿真正確后，安裝實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)電路，并將目標(biāo)代碼文件（*.hex）下載到實(shí)際單片機(jī)中運(yùn)行、調(diào)試。若出現(xiàn)問題，可與PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真相互配合調(diào)試，直至運(yùn)行成功（簡(jiǎn)稱實(shí)際產(chǎn)品安裝、運(yùn)行與調(diào)試）。筆者的實(shí)踐證明：按照PROTEUS仿真通過的設(shè)計(jì)來安裝的實(shí)際系統(tǒng)，只要安裝正確、元器件無誤，焊接牢靠，基本都能順利通過。

下面以筆者研發(fā)的“雙單片機(jī)控制的萬年歷倒計(jì)時(shí)牌”（簡(jiǎn)稱“倒計(jì)時(shí)牌”）為例，論述PROTEUS在單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)中的開發(fā)過程、實(shí)際操作。該“倒計(jì)時(shí)牌”已在部分中學(xué)用來作為高考日期倒計(jì)時(shí)警示牌。為精減論述，本文省去了農(nóng)歷、時(shí)溫等部分。它由兩塊AT89S51、DS1302時(shí)鐘芯片、16塊LED數(shù)碼管、3個(gè)倒計(jì)時(shí)初值設(shè)置撥碼盤等構(gòu)成。圖1是它的PROTEUS設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)仿真片斷。右邊為雙單片機(jī)控制的電路部分。電路連接除采用直接連線外還采用了PROTEUS提供的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接方法。左上方為顯示部分，左下方分別為設(shè)置倒計(jì)時(shí)初置的3個(gè)撥碼盤、音樂警示喇叭及3個(gè)調(diào)整開關(guān)。單片機(jī)U1、U6的晶振頻率分別設(shè)置為12MHz、6MHz。該“倒計(jì)時(shí)牌”調(diào)整方便、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高。

圖1 “倒計(jì)時(shí)牌”的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真片斷

“倒計(jì)時(shí)牌”的PROTEUS電路設(shè)計(jì)
這是產(chǎn)品研發(fā)過程的第一步。
啟動(dòng)PROTEUS后，將出現(xiàn)用于設(shè)計(jì)與仿真的ISIS窗口。圖2是“倒計(jì)時(shí)牌”PROTEUS設(shè)計(jì)時(shí)的ISIS界面情況。采用鼠標(biāo)操作，非常方便。設(shè)計(jì)好圖紙尺寸定義好文件名后，即可按設(shè)計(jì)需要從PROTEUS庫中提取設(shè)計(jì)所需要的元器件，放置到ISIS編輯區(qū)中，進(jìn)行電路連接等電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好電路后可使用PROTEUS提供的電氣檢測(cè)工具對(duì)電路進(jìn)行電氣檢測(cè)。若電路出現(xiàn)電氣錯(cuò)誤，會(huì)彈出信息報(bào)告?？筛鶕?jù)報(bào)告排除電氣錯(cuò)誤，直至成功。

圖2 “倒計(jì)時(shí)牌”PROTEUS設(shè)計(jì)時(shí)的ISIS界面情況

“倒計(jì)時(shí)牌”的PROTEUS軟件設(shè)計(jì)
這是產(chǎn)品研發(fā)過程的第二步。
PROTEUS設(shè)計(jì)好硬件電路后，要進(jìn)行單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。因是雙單片機(jī)控制，所以要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)U1單片機(jī)的軟件和U6單片機(jī)的軟件。PROTEUS提供了在ISIS窗口界面中進(jìn)行編寫源程序、編譯生成目標(biāo)代碼文件（*.HEX）的手段，可進(jìn)行編寫、編輯等各種操作?？赏ㄟ^在ISIS中點(diǎn)擊菜單項(xiàng)Source的多級(jí)子菜單來實(shí)現(xiàn)。編寫好源程序后，可左鍵單擊菜單“Source”，在彈出子菜單中左鍵單擊“Build All”選項(xiàng)，則將兩個(gè)源程序編譯生成各自的目標(biāo)代碼文件（WNL01.HEX和 CNTDAF.HEX）。若源程序有錯(cuò)，則彈出出錯(cuò)報(bào)告，可根據(jù)報(bào)告排錯(cuò)直至生成目標(biāo)代碼為止。圖3是在ISIS中編輯源程序的現(xiàn)場(chǎng)情況，圖中只顯示出兩個(gè)源程序的部分程序條。因篇幅關(guān)系不列完整程序了，若需要，可發(fā)郵件給zlb163com@163.com索取。

圖3 “倒計(jì)時(shí)牌”的PROTEUS的軟件設(shè)計(jì)

“倒計(jì)時(shí)牌”的PROTEUS仿真
這是產(chǎn)品研發(fā)過程的第三步。
首先要進(jìn)行目標(biāo)代碼加載和設(shè)置晶振頻率。將鼠標(biāo)指向單片機(jī)U1，右鍵單擊,再左鍵單擊，則彈出如圖4所示的“Edit Component”對(duì)話框，在“Program File”框中輸入它的目標(biāo)代碼文件“WNL01.HEX”， 在“Clock Frequency”框中輸入晶振頻率12MHz，左鍵單擊“OK”按鈕即完成操作。再將鼠標(biāo)指向單片機(jī)U6，同樣操作可將它的目標(biāo)代碼文件CNTDAF.HEX加載到單片機(jī)U6中。再在“Clock Frequency”框中輸入晶振頻率6MHz。

左鍵單擊仿真按鈕則可實(shí)現(xiàn)交互式、實(shí)時(shí)仿真。仿真片段如圖1所示。
仿真中，可用鼠標(biāo)分別調(diào)節(jié)三個(gè)撥碼盤設(shè)置倒記時(shí)初值（圖1中初值設(shè)置為“096”）；通過分別調(diào)節(jié)“調(diào)日歷”、“調(diào)時(shí)”、“加一”3個(gè)按鈕可校正萬年歷。
當(dāng)?shù)褂洉r(shí)值減至0時(shí)，則喇叭中發(fā)出警示音樂聲。

 
“倒計(jì)時(shí)牌”實(shí)際產(chǎn)品的安裝、運(yùn)行與調(diào)試
這是產(chǎn)品研發(fā)過程的第四步。
“倒計(jì)時(shí)牌”交互式實(shí)時(shí)仿真通過后，可轉(zhuǎn)到PROTEUS PCB DESIGN中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)PCB電路板，設(shè)計(jì)中要注意布線的科學(xué)性。購(gòu)買符合設(shè)計(jì)要求的元器件、接插件。細(xì)心安裝實(shí)際的“倒計(jì)時(shí)牌”硬件電路。并將目標(biāo)代碼文件WNL01.hex、CNTDAF.HEX分別下載到實(shí)際的單片機(jī)U1（AT89S51）和U6（AT89S51）中，實(shí)際通電運(yùn)行。
筆者的實(shí)踐證明：只要元器件無誤、安裝正確、焊接牢靠，基本都能順利通過。至此，勝利完成了這一單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)，且省力、省財(cái)、省時(shí)。

圖4 對(duì)U1加載目標(biāo)代碼文件、設(shè)置晶振頻率

結(jié)論
實(shí)踐證明，PROTEUS是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品靈活、高效、正確的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，改革了單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)過程，為單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)提供了完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室。