Proteus仿真系統(tǒng)在單片機教學(xué)應(yīng)用中的特點分析

單片機是國內(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的軟硬件設(shè)計工作。單片機的開發(fā)要求設(shè)計人員具有一定的硬件設(shè)計基礎(chǔ)和匯編或者C語言的編程能力，目前國內(nèi)多數(shù)大專院校都是采取先教學(xué)后實驗的教學(xué)步驟，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中缺少一個感性認(rèn)識，在實驗時又無法與課本上的知識聯(lián)系起來，因此造成了時間與教學(xué)資源的雙重浪費。

1 Proteus的引入

伴隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準(zhǔn)確可靠的保證，同時節(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是在這種形勢下應(yīng)運而生并迅速發(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)計與仿真平臺；更是單片機系統(tǒng)先進(jìn)的設(shè)計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖與電路設(shè)計、電路分析與仿真、單片機代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整的設(shè)計與仿真過程。它得到了從事單片機事業(yè)的教師、工程技術(shù)人員以及眾多的大學(xué)生和單片機技術(shù)愛好者的青睞。

基于Proteus的單片機虛擬開發(fā)環(huán)境有效的將理論與實驗聯(lián)系起來，在這個開發(fā)環(huán)境里面可以很好地將演示、硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計結(jié)合起來，在教學(xué)和具體的工程項目中應(yīng)用這個開發(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。目前在電子技術(shù)、機械設(shè)計制造以及軟件開發(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，將實驗品的一些實際問題暴露在虛擬設(shè)計階段，例如機械設(shè)計軟件SoliWorks與LabView的聯(lián)合可以完成機器運動部件的三維運動控制、控制邏輯分析、部件碰撞分析等存在風(fēng)險較大的設(shè)計工作的模擬，對于企業(yè)來說降低風(fēng)險投資和加快產(chǎn)品上市是贏得市場的關(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)意識對于企業(yè)和社會來說都是一筆重要的知識財富。

2．Proteus仿真系統(tǒng)

Proteus是英國Labcenter公司的電路分析與實物仿真軟件，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、RS 232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)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、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)具有強大的原理圖繪制功能。啟動Proteus后將出現(xiàn)ISIS的設(shè)計窗口，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、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、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)計風(fēng)險。

3 程序開發(fā)

這里以AVR單片機ATmega16和DS18B20為例演示了溫度測量及其顯示的單片機程序開發(fā)過程，AVR單片機是Atmel公司推出的高性能單片機，該系列單片機部分采用16位結(jié)構(gòu)，所有IO口均可單獨設(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。在單片機程序設(shè)計方面，ICCAVR提供了良好的編程界面，可通過對可視化選項框的選擇來生成初始化程序，如圖3所示。

在進(jìn)行項目程序開發(fā)時，只需要選擇所使用的CPU，I／O口的初始方向、定時器的使用情況、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語言初始化程序。在完成初始化之后程序員只需要針對自己的具體應(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)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(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與單片機的接口只有一條線，而且DS18B20的單總線特性只需要一個單片機I／O引腳即可支持多個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復(fù)雜的軟件進(jìn)行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DSl820進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。其具體流程圖如圖4所示。

在按照設(shè)計要求編好程序后，雙擊ISIS Profes-sional窗口中的ATmega16單片機，將彈出一個編輯窗口，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

單片機技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)中不可缺少的一項技術(shù)，掌握單片機技術(shù)是電子信息類專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個基本條件。這里通過單片機產(chǎn)品開發(fā)的實例，論述了Proteus在單片機教學(xué)和單片機應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)中的地位和作用。Proteus是單片機教學(xué)與應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)的高效、經(jīng)濟、可靠的單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。學(xué)生可在Proteus ISIS窗口中大膽進(jìn)行電路設(shè)計、程序設(shè)計、測量、調(diào)試、修改。不僅不會損壞元器件和儀器，且在安裝實物作品前就可看到結(jié)果。使學(xué)生的獨立操作能力、主動性、積極性和創(chuàng)造力都得到了發(fā)揮。總之，基于Proteus的單片機虛擬開發(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)時間和開發(fā)成本，而且還具有很大的靈活性和可擴展性；也是高校提升實驗室建設(shè)水平有益的嘗試。