用 proteus軟件建立單片機仿真虛擬實驗室-畢業(yè)論文

1、更多論文/fanteral用 proteus軟件建立單片機仿真虛擬實驗室摘要單片機應(yīng)用技術(shù)所涉及到的實驗實踐環(huán)節(jié)比較多，而且硬件投入比較大。在具體的工程實踐中，如果因為方案有誤而進行相應(yīng)的開發(fā)設(shè)計，會浪費較多的時間和經(jīng)費。本文以學校單片機課程的實驗教學為背景，較為全面地闡述采用仿真實驗的方法。關(guān)鍵詞：proteus軟件 單片機 仿真 虛擬實驗室引 言單片機課程是機電、自動化等專業(yè)的一門重要課程，可以充分體現(xiàn)學生利用已學知識解決實際工程問題的能力。由于該學科是多基礎(chǔ)、多理論的實踐性學科，在教學過程中必須軟件硬件結(jié)合，因此有學生感到難學，教師感到難教這樣的尷尬

2、?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，促進了計算機技術(shù)在軟件和硬件上的飛速發(fā)展，利用計算機軟件的仿真技術(shù)，可以充分地仿真諸如電路的工作等實際的工程問題。作者無意中找到一款軟件proteus，解決了許多的問題，而單片機虛擬實驗室也是以該軟件為核心建立起來的。1 proteus介紹proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機cpu的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的

3、矛盾和現(xiàn)象。(1)proteus的工作過程運行 proteus的isis程序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單的define code generation tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的add/remove source files命令下，加入單片機硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug菜單的

4、相應(yīng)命令仿真程序和電路的運行情況。(2)proteus軟件所提供的元件資源proteus 軟件所提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等，具體情況如表1所列。 (3)proteus軟件所提供的儀表資源對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇?，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。在proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題，其提供的儀表如表2所列。除了表2所列的測試儀表外，proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。圖形顯示功能如表3所列。(4)proteus軟件

5、所提供的調(diào)試手段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，如表4所列。對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試，proteus 提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或f12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運行；或用debug菜單下的stop animation 菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進行。對于軟件的分步調(diào)試

6、，應(yīng)先執(zhí)行 debug菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇step over 、step into 和 step out命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵f10、f11和ctrl+f11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時分析和查看。2 實驗的組織在單片機的理論教學和實驗中，所涉及到的內(nèi)容包括了四方面，即單片機系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件接口電路、軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。因此教師在進行教學時，

7、應(yīng)該充分考慮課程的特點并作合理的模塊劃分，在每次實驗課程前作適當?shù)臏蕚涔ぷ?，以使教學任務(wù)能集中和突出。以下例子中所涉及到的單片機均為51系列。(1)系統(tǒng)資源的實驗教學任何一種單片機均提供了一定的系統(tǒng)資源。對于51系列單片機來講，其所提供的資源是以寄存器和存儲器的方式體現(xiàn)出來的。對于寄存器內(nèi)容的查看，可以采用多種可以模擬仿真51單片機的軟件來實現(xiàn)。對于proteus 軟件來講，可以執(zhí)行在debug菜單下registers菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。對于系統(tǒng)內(nèi)部存儲器的查看，同樣是執(zhí)行debug 菜單下的 internal memory 菜單項命令打開相應(yīng)的窗口。(2)軟件技術(shù)在軟件技術(shù)的實驗中所涉

8、及到的內(nèi)容主要包括對語言中具體語句的執(zhí)行效果驗證、算法的具體實現(xiàn)、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內(nèi)容。對于純軟件的實驗教學內(nèi)容，教師在實驗設(shè)置時應(yīng)充分考慮到學生的能力并作好具體的準備工作，以達到預(yù)期的教學目的。例如，對于兩個16位二進制數(shù)的乘法運算r4r5r6r7=r3r4r5r6r7的匯編語言實現(xiàn)。為了較為直觀地驗證程序執(zhí)行的正確性，教師在之前應(yīng)該設(shè)計一個硬件電路，能完成數(shù)據(jù)的輸入(帶顯示)和結(jié)果的輸出(顯示)，并設(shè)計主程序、bcd碼到二進制的轉(zhuǎn)換、二進制碼到bcd碼的轉(zhuǎn)換、bcd碼到顯示碼的轉(zhuǎn)換、顯示等程序的設(shè)計，學生只在實驗中進行乘法運算的算法設(shè)計并作為子程序加入系統(tǒng)中即可。(3

9、)硬件接口電路單片機的接口電路所涉及到的知識涵蓋了電子電路設(shè)計的相關(guān)領(lǐng)域，也涉及到單片機應(yīng)用系統(tǒng)具體的工作需要。接口電路部分涉及到線路的連接、元器件的選擇、工作方式的設(shè)置、電路工作的穩(wěn)定性和可靠性、電路的空間需求等等許多方面的知識和內(nèi)容；但就學生實驗來講，所涉及到的并不需要這么全面。作為 proteus 仿真軟件，其仿真電路時所模擬的元件真實工作情況，和單片機應(yīng)用系統(tǒng)的實際工作環(huán)境還是有一定的差別。因此只能根據(jù)教學的需要，讓學生自行設(shè)計電路并設(shè)置其工作方式。其實驗可以通過兩種方式組織實施，一是根據(jù)具體的要求，讓學生設(shè)計接口電路并編寫相應(yīng)的程序；一是根據(jù)程序的要求，設(shè)計單片機接口電路。例如，對于

10、鍵盤輸入和顯示(數(shù)碼管)接口電路的設(shè)計，可以采用比較多的方法來實現(xiàn)。選擇何種方法，與鍵盤中鍵的數(shù)量和數(shù)碼管的個數(shù)以及顯示的方式等都有關(guān)系。選擇一種采用幾種方法都能實現(xiàn)的鍵盤鍵數(shù)(如12個)和顯示位數(shù)(如4位或4位半)，提出具體的諸如必須預(yù)留的口地址、成本控制等要求，讓學生自行設(shè)計接口電路。當然，對于如a/d轉(zhuǎn)換等接口電路的設(shè)計，教師應(yīng)該在事先設(shè)計出單片機電路的其它部分，并以模塊的方式進行處理，給學生提供電路的接口信號。(4)軟件和硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)軟件和硬件的結(jié)合，就是一個單片機的應(yīng)用系統(tǒng)了。這一步的實驗可以在課程設(shè)計中以課題的方式提出來處理，也可以將其分解成不同的接口部分在接口電路的多次實驗

11、中分次完成。在這一階段，硬件電路的設(shè)計已經(jīng)不是最為關(guān)鍵的了，而軟件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和運行才是實驗的主要內(nèi)容。因此可以以建議性的意見給出具體的硬件電路，并提出該電路所需要完成的具體工作，由學生進行軟件的設(shè)計和調(diào)試。(5)觀摩實驗學生自行設(shè)計的硬件系統(tǒng)和軟件，一般存在著某方面的不足，當給出了相應(yīng)的實驗設(shè)計任務(wù)后，學生就算能順利的完成，但其中所涉及到的有些方式方法并不能在自己的設(shè)計中充分領(lǐng)悟。protues系統(tǒng)提供了相應(yīng)的一些范例，比如單片機系統(tǒng)中的計算器示例，當教師講述了其中涉及到的所有(子)程序的功能并將其合理地組織在一起的時候，結(jié)合該系統(tǒng)的硬件，將對學生進行程序的設(shè)計和系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法，產(chǎn)生

12、比較大的影響。3 用proteus軟件虛擬單片機實驗的優(yōu)點采用proteus 仿真軟件進行虛擬單片機實驗，具有比較明顯的優(yōu)勢，如涉及到的實驗實習內(nèi)容全面、硬件投入少、學生可自行實驗、實驗過程中損耗小、與工程實踐最為接近等。當然其存在的缺點也是有的。(1)內(nèi)容全面內(nèi)容全面包括其能實驗的內(nèi)容包括軟件部分的匯編、c51等語言的調(diào)試過程，也包括硬件接口電路中的大部分類型。對同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來搭建完成，因此采用protues仿真軟件進行實驗教學，克服了用單片機實驗教學板教學中硬件電路固定、學生不能更改、實驗內(nèi)容固定等方面的局限性，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。(2)硬件

13、投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯對于傳統(tǒng)的采用單片機實驗教學板的教學實驗，由于硬件電路的固定，也就將單片機的cpu和具體的接口電路固定了下來。在單片機的實際教學中，如果要涉及到51系列，也要涉及到pic16系列，那么為了教學必然要投入兩種單片機的實驗教學板；同時在教學過程中所涉及到的接口電路，也需要有較大的投入和儲備，以利于實驗的進行和在實驗過程中元件損毀后的更換。protues所提供的元件庫中，大部分可以直接用于接口電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟的。如果在實驗教學中投入這樣的真實的儀器儀表，僅儀表的維護來講，其工作量也是比較大的。因此采用軟件的方式進行教學，其經(jīng)

14、濟優(yōu)勢是比較明顯的。(3)學生可自行實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力實驗?zāi)芰蛯嶒炘O(shè)計能力的培養(yǎng)，是工科學生解決實際工程問題能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實驗教學中，忽視了學生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，對于實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，則很少涉及到。因此學生學習了理論，要想將其應(yīng)用到實際的工程實踐中，其難度是比較大的。還有，學生畢業(yè)后想對單片機控制技術(shù)或智能儀表等有較深的研究和學習，如果采用傳統(tǒng)的實驗教學方法，則學生需要購置的設(shè)備比較多，增加了他們學習和研究的投入。采用仿真軟件后，學習的投入變得比較的小，而實際工程問題的研究，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進行硬件的投入，這樣處理，不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確

15、所造成的硬件投入的浪費。(4)實驗過程中損耗小，基本沒有元器件的損耗問題在傳統(tǒng)的實驗教學過程中，都涉及到因操作不當而造成的元器件和儀器儀表的損毀，也涉及到儀器儀表等工作時所造成的能源消耗。采用protues仿真軟件進行的實驗教學，則不存在上述的問題，其在實驗的過程中是比較安全的。(5)與工程實踐最為接近，可以了解實際問題的解決過程在進行課程設(shè)計或進行大實驗的時候，可以具體的在protues中做一個工程項目，并將其最后移植到一個具體的硬件電路中，讓學生了解將仿真軟件和具體的工程實踐如何結(jié)合起來，利于學生對工程實踐過程的了解和學習。(6)大量的范例，可供學生參考處理在系統(tǒng)的設(shè)計時，存在對已有資源的

16、借鑒和引用處理，而該仿真系統(tǒng)所提供的較多的比較完善的系統(tǒng)設(shè)計方法和設(shè)計范例，可供學生參考和借鑒。同時也可以在原設(shè)計上進行修改處理。(7)協(xié)作能力的培養(yǎng)和鍛煉一個比較大的工程設(shè)計項目，是由一個開發(fā)小組協(xié)作完成的。了解和把握別人的設(shè)計意圖和思維模式，是團結(jié)協(xié)作的基礎(chǔ)。在proteus中進行仿真實驗時，所涉及到的內(nèi)容并不全是學生獨立設(shè)計完成的，因此對于鍛煉學生的團結(jié)協(xié)作意識，是有好處的。4 一個具體的課程實踐該實驗為對8051單片機外圍電路進行寫數(shù)據(jù)仿真的電路。課程要求學生設(shè)計電路并提供仿真和驗證的方法。(1)電 路為了簡化電路，將單片機的時鐘電路直接用clock信號處理；對于數(shù)據(jù)的寫入，采用邏輯分析的方法進行，電路如圖1所示。(2)驗證方法邏輯仿真驗證程序執(zhí)行的正確性和電路工作的情況，可通過時序圖的方式進行驗證，如圖2所示。(3)程 序?qū)?2