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用Proteus仿真软件辅助单片机教学

作者:原创论文网 时间:2010-07-16 14:16 加入收藏

  传统的单片机理论课教学中,在课堂上演示单片机的设计和调试几乎不可能;在传统的单片机实验教学中,采用硬件仿真器、实验箱或实验板,需采购大量的、昂贵的硬件设备,而且设备维护工作量也非常大。而且单片机的种类繁多,再加上资金的限制,不可能在一个实验室包括所有种类的单片机仿真设备以及各种外围电路,因此学生能做的实验项目受到限制。而采用Proteus仿真软件辅助单片机教学可以弥补传统单片机教学方法的不足。
  
  1Proteus仿真软件介绍
  
  Proteus是由英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件,是一种EDA工具软件。Proteus安装以后,主要由两个程序组成:ARES和ISIS。前者主要用于PCB自动或人工布线及其电路仿真,后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。Proteus革命性的功能在于它的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件代码级的调试,还可以直接实时动态地模拟按钮、键盘的输入,LED、液晶显示的输出,同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。
  作为一款EDA仿真软件,Proteus与同类软件有着很多的相似之处。相比之下,其主要的特点有两个:一是对动态元件的实时仿真,它对“人机对话”的模拟增强了系统的真实性;二是虚拟工具箱的功能,它能与仿真同时进行,测量方便而准确。
  与多数EDA仿真软件相似,Proteus有着数量庞大的元件库。在丰富的库元件的支持下,原理布图时只要进行相应的调用和连线,通过对每个元件的属性设置完成绘图,然后即可进行仿真和虚拟测量。与其它EDA仿真软件的一大不同,在于Proteus支持微处理器的仿真。它可以仿真51系列、AVR、 PIC、ARM等常用的微处理器。对动态外设的支持是Proteus区别于其他EDA仿真软件最直接的地方。Proteus为用户提供了一个实时交互的环境,在仿真的过程中你可以用鼠标去点击开关和按钮,微处理器根据输入的信号做出相应的中断响应,同时输出运算的结果到显示终端。整个过程与真实的硬件调试是极其相似的,在动态外设支持下的实时输入和输出为实验者呈现了一个最接近现实的调试环境。
  Proteus的虚拟工具箱提供了电路测试中的常用工具和仪器,主要用于在实时仿真的同时观测电路参数,测量结果随仿真动态变化并显示,可以满足精度要求不是很高的测量分析,对于电路特性的定性分析可以起到事半功倍的效果,大大节约了测试时间和开发成本。
  
  2Proteus 在单片机教学中的应用
  
  在单片机教学中引入Proteus仿真软件,可以使学生建立直观的仿真思想。利用仿真的形象、生动、实在等特性,会对教学产生积极的影响。
  2.1在课堂讲授中的应用
  单片机教学过程中必须软件和硬件结合。一般理论课堂难以辅助硬件进行教学,利用Proteus仿真软件和现有的多媒体教学设备(一台电脑和一台投影仪),便能在课堂中完成软件、硬件和系统集成等内容的教学,这是以往我们无法做到的。
  在进行多媒体教学时,可设计大量的单片机应用实例,用Proteus软件演示从单片机硬件设计到软件调试的全过程,并演示运行结果。
  2.2在实践教学中的应用
  传统实践教学通常在单片机实验室进行,然而由于各种原因,许多高校实验室的设备更新难于跟上,难于满足实践教学的要求。而且由于单片机实验室存在着场地和时间等问题,学生除了上课外,平时难得有机会实践。个人配备单片机实验开发系统,因成本较高,很多学生无法承受。同时一般单片机实验箱由于是成品,学生很难参与到其中的细节设计中去,学生动手能力很难得到训练与提高。
  在实践教学中引入Proteus仿真软件,可以建立先进的单片机仿真虚拟实验室。Proteus仿真软件可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用的微处理器,并提供了几乎所有实验项目需要的外围电路和器件,如LED、 LCD、RAM、ROM、键盘、电机、AD/DA、部分SPI器件、部分I2C器件等,学生在机房的通用PC机上可以进行单片机软硬件设计、调试和PCB 设计。利用课余时间,学生甚至可以在寝室里自己的PC机上进行单片机项目的设计和调试,极大地开拓了单片机学习的空间,降低了单片机的学习成本,提高了学习效果。此外,采用Proteus仿真软件进行实践教学还有一个好处,就是不存在器件损耗问题,从而也大大节约了教学资源。
  单片机的后续课程为课程设计和毕业设计,有的学生可能参加电子设计赛前培训,采用Proteus仿真软件后,学生先通过软件仿真,再进行硬件的设计和调试,可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费。
  2.3应用实例
  使用单片机来控制流水灯是学习单片机课程的经典例子,例子简单却能让初学者对单片机项目开发方法有一个比较全面的了解,为以后进行复杂的项目开发打好基础。
  (1) 创建流水灯仿真电路
  运行Proteus的ISIS程序后,进入该仿真软件的主界面。单击元件列表区的P命令即弹出元器件选择(Pick Devices)对话框,调入所需元件仿真库。将电路中的所用元件从元器件库中调出来,放到绘图区,布局并设置好参数,然后连接导线,绘制完成的流水灯仿真电路如图1所示。
  
  (2) 软件编程
  8051系列单片机开发可用的软件平台有多种,其中Keil C51是目前世界上最优秀、最强大的51单片机软件开发平台,有很多国内高校用南京伟福公司的Wave软件。不论用哪种软件平台,只要程序编译成功后得到 HEX目标文件,把该目标文件与仿真电路进行关联(在Proteus绘图区中打开51单片机的编辑对话框,在Program File项中加入HEX文件后点击OK按钮),就可以进行系统的仿真。
  (3) 系统仿真
  Proteus可以总体仿真运行,也可以单步或者设置断点仿真调试。在Proteus中,我们能清楚地观察到单片机系统在工作过程中,各硬件所处实时状态,在仿真过程中,对于连接到每个数字或混合网络上的引脚,用有色小方块显示其状态:蓝色表示低电平,红色表示高电平,灰色表示浮空,黄色表示冲突(如两个器件同时向总线上传送数据)。这给用户调试、演示带来了方便,可以随时观察每一步操作所引起的结果。
  如图2所示是流水灯仿真电路运行时某时刻的截图,根据图中电路的连接情况,当连接有发光二极管的单片机引脚输出低电平时(蓝色方块),灯亮;输出高电平时(红色方块),灯灭。仿真运行时,灯轮流点亮,形成流水灯的效果。
  
  3结束语
  
  Proteus仿真软件不仅能仿真单片机CPU的工作情况,也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。在程序调试、系统仿真时,不仅能观察到程序执行时单片机寄存器和存储器等内容变化,而且从工程的角度直观地看到了外围电路工作情况,非常接近实际工程应用。Proteus附带有大量的范例,可供学习者参考处理。使用Proteus仿真软件使单片机学习者仅在通用PC机上就能够实现单片机项目的仿真设计和调试,突破了传统单片机教学在时间、场地和资金等方面的限制,可以节约教学资源、提高学习效果。
  

 


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