基于Proteus的Led大屏幕的设计与仿真.doc

:360元 /年 技术 创新仿 真 技 术PLC 技术应用 200例 您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注基于 Proteus 的 Led 大屏幕的设计与仿真Design and Sim ulation of Led Display Based on Proteus(武汉科技大学 王 孟 陈 林WANG Meng CHEN Lin摘要 :通 过 用 Proteus 软 件 对 Led 大 屏 幕 进 行 的 设 计 与 仿 真 , 阐 述 了 Led 大 屏 幕 的 显 示 原 理 , 详 细 介 绍 了 Proteus 的 特 点 、 基 本的 使 用 方 法 以 及 Proteus 在 单 片 机 系 统 硬 、软 件 开 发 与 仿 真 中 的 应 用 。 它 能 有 效 地 提 高 开 发 效 率 、 降 低 开 发 成 本 、 缩 短 开 发 周 期 , 对 于 单 片 机 应 用 系 统 、电 子 电 路 的 开 发 和 教 学 等 具 有 很 大 的 实 用 价 值 。 整 个 设 计 过 程 充 分 体 现 了 该 软 件 在 实 际 系 统 开 发 中 的 有 效 性 和 实 用 性 。关键字 :Proteus ; Led 大屏幕 ; 仿真 ; 单片机 中图分类号 :TP368文献标识码 :BAbstract:The design and simulation of the Led Display carried out by Proteus software have explained the principle of the Led Dis-play. The specialty, the basic using skills of Proteus and its application in the development and simulation of the hardware and soft-ware of MCU have been introduced in particular. The Proteus software can effectively improve the development effect, cut the devel-opment cost and shorten the development period. It attaches great utility value to the application system of MCU, the development of Electronics, teaching and so on. The whole design process fully embodies its validity and utility in the real development system. Key words:Proteus; Led Display; Simulation; MCU文章编号 :1008-0570(200806-1-0233-031引言单片 机 体积 小 、 重 量轻 而 且 性价 比 高 , 在越 来 越 多的 领 域 中得到广泛应用 。 在单片机应用系统的开发过程中 , 按照传统 的模式 , 先根据应用系统要求完成原理图的设计 、 PCB 电路图 绘制 、 电路板制 作 以 及元 器 件 的焊 接 等 , 然后 通 过 仿真 器 对 系 统硬件和软件调试 , 最后将调试成功的程序固化到单片机中 。 这一过程 中 的 主要 问 题 是 , 在 开 发 过程 中 需 要大 量 的 硬件 设 备 , 不仅易损坏而 且 携 带不 方 便 , 另外 在 系 统调 试 的 过程 中 还 要担心硬件的故障问题 , 如需要修改硬件 , 要重新制板 , 在时间 上和投入上带来很大的不便 。 Proteus 软件的出现恰好解决了这 个问题 。Proteus 软件 是 英 国 Labcenter Electronics 公 司 开 发 的 电 路分析与实物仿真软件 。 它可以仿真 、 分析 (SPICE 各种模拟器件和集成电路 。 利用它可随时搭建一个单片机应用系统并对其仿 真 , 而且 Proteus 单片机仿真软件无需建立物理原型就能完全 进行单片机系统 的 设 计和 测 试 , 大大 提 高 了开 发 效 率 、 降 低 开 发成本 、 缩短开发周期 。2Proteus 软件环境Proteus 软件是专用于开发单片机的集成软件 , 可以支持许 多型 号的 单 片 机仿 真 , 该 软件 的 单 片机 仿 真 库里 有 51系 列 、 PIC 系列 、 AVR 系列等 。 Proteus 软件中包含了大量的电子元器件 库 , 如 各 种 芯 片 、 按 键 、 显 示 器 , 示 波 器 等 , 可 供 用 户 采 用 。 Proteus 对原理图输入 、 单步调试 、 实时仿真 、 PCB 设计等几种功 能都作了集成 。 在 Proteus 环境中 , 可以直接对电路的原理图进行设计 。 针对系统功能设计的程序 , 可装入原理图的单片机中 , 进行单步 、 断点和连续运行等多种调试方式 。 也可以将 Proteus 与 Keil C51集成开发环境连接起来进行软 、 硬件结合的调试 。 程序运行的 状态在原理图中相关期间实时显示出来 , 模拟了实际电路的运 行状况 。 设计的电路原理图 , 可生成相应的网络表 , 并在 PCB 设 计中被调用 。3基于 Proteus 的单片机设计开发以 Led 大屏幕显示系统的设计与仿真为例 , 来更加直观地 说明 Proteus 软件在单片机应用系统开发中的实用特点 。 本文 设计的是一个 3216的 Led 大屏幕 , 可以显示出 2个汉字 (本例 中显示的是 “ 创新 ” 。 基于功能 , 选用 ATMEL 公司生产的通用 芯片 AT89C51单片机构成应用系统 。 AT89C51是内含 8位 4K 程 序 存 储 器 , 128B 数 据 存 储 器 , 2个 定 时 器 /计 数 器 的 通 用 芯 片 。 系统开发环境采用 Proteus ISIS 6。3.1Led 大屏幕模拟系统构图 1是 AT89C51单片机与 LED 大屏幕显示器接口电路的 原理图 。 图中 , LED 显示器为 3216点阵 , 水平方向有 4个 88LED 点阵 , 垂直方向有 2个 88LED 点阵 , 整个显示屏由 42=8个 88LED 点阵拼装成 。 每个 1616LED 点阵显示一个汉字 。 2个字块的行线相应地并接在一起 , 形成 2路复用 , 行控制信号 由 P2口经 74HC154(4-16译码 驱动后形成行扫描信号输出 (并 行 传 送 , 16根 信 号 线 。 2个 字 块 的 列 控 制 信 号 分 别 由 各 74HC595驱动后输出 。 74HC595是具有 8位移位寄存器和一个 存储器 , 三态输出功能 。 4个 74HC595通过级联以后 , 形成 84=32位串入并出的移位寄存器 , 其输出对应 32点列 。显示数据 由 AT89C51的 RXD 端输出 , 时钟由 AT89C51的 TXD 端 输 出 。王孟 :硕士研究生基金项目 :湖北省教育厅自然科学基金 (D200611002 233-技 术 创 新中 文 核 心 期 刊 微 计 算 机 信 息 (测 控 自 动 化 2008年 第 24卷 第 6-1期 元 /:现场总线技术应用 200例 仿 真 技 术RXD 发送串行数据 , 而 TXD 输出移位时钟 , 此时串行口工作于方式 0, 即同步串行移位寄存器状态 。图 1接口电路原理图3.2系统电路原理图的设计电路原理图的设计如同在 ISIS 6软件环境上制作 实物电路板 。 运行 Proteus 的 ISIS 6进入其主界面如图 2, 点状栅格区为绘图工作区 , 左上方为概览区 , 左下方为所需元器件备用区 。如图 3所示 , 单击 P 键进 入 元 件库 列 表 , 就可 以 选 择所 需 元 器件 。 双击所选择的元器件名 , 即可将所选元器件添加到备用区 。图 2Proteus 的 ISIS 6主界面图图 3添加元器件到备用区同 理 添 加 74HC595、 74HC154、 MATRIX-88-BLUE 、 CAP等所必需的元器 件 , 单 击 选 中备 用 库 中的 电 子 元器 件 , 可 以在图 2所示的概览区看到所选择的元件 , 并将其分别放置在绘图工作区 。 然后将上述各元器件进行电气连接 , 连完后的电路图如图 1所示 。3.3Led 大屏幕显示原理及程序设计显示屏体的工作以行扫描方式进行 , 扫描显示过程是每一次显示一行 32个 LED 点 , 显示时间称为行周期 , 16行扫描显示完成后开始新一轮扫描 , 这段时间称为场周期 。由 AT89C51的 RXD 端与 TXD 端配合来传送某一行 (32个点 的显示信息 。 在一行周期内有 32个时钟脉冲信号 , 它将一行的显示信息串行移入 4个 74HC595的串入并出移位寄存器中 ,并由 74HC595的 ST_CP 信号 和 OE 信 号分 别 控 制存 入 对 应锁 存电路和并 行 输出 , 行 扫 描信 号 控 制开 始 一 行的 显 示 , 直到 下 一行显示数据开始锁入为止 , 由此实现行扫描 。图 1所示 LED 显示屏只有 16行 , 无须采用场扫描控制信 号 , 且行 、 场扫描的控制都可通过单片机对 P2口编程实现 。 软 件主程序流程图如图 4。LED 大屏幕显示一般都采用动态显示 , 要实现稳定显示 , 需遵循动态扫描的规律 , 程序设计要点如下 :(1 从串行口输出 4字节共 32bit 的数据到 74HC595中 , 形成 32列的列驱动信号 ;(2 从 P2口输出相应的行扫描信号 , 与列信号在一起点亮 行中有关的点 ;(3 延时 l 2ms 。 此时间受 50Hz 闪烁频率的限制 , 不能太大 , 应保证扫描所有 16行 (即一帧数据 所用时间之和在 40ms 以内 ; (4 从串行口输出下一组数据 , 从 P2口输出下一行扫描信 号并延时 l 2ms , 完成下一行的显示 ;(5 重复 上 述操 作 , 直 到所 有 16行 全 扫 描 显 示 一 次 , 即 完 成一帧数据的显示 ;(6 重新 扫 描显 示 的 第一 行 , 开 始下 一 帧 数 据 的 扫 描 显 示 工作 , 如此不断地循环 , 即可完成相应的画面显示 ;(7 要更 新 画面 时 , 只 须将 新 画 面的 点 阵 数 据 输 入 到 显 示 缓冲区中即可 ;(8 通过控制画面的显示 , 可以形成多种显示方式 , 如左平 移 、 右平移 、 开幕式 、 合幕式 、 上移 、 下移及动画等 。3.4系统电路的调试与仿真Proteus 软件的一个特色功能是可以与 Keil C51集成开发环 境连接 , 将用汇编或 C 语言编写的程序编译好之后 , 可以立即进 行软 、 硬件结合的系统仿真 , 像使用仿真器一样来调试程序 。 在 调试之前首先通过设置将 Proteus 与 Keil C51集成开发环境连 接 , 并使 Proteus 的文件要和 Keil 的工程文件在同一层目录下 。 先运行 Proteus 的 ISIS , 导入之前设计好的系统电路的 design 文 件 。 再打开 Keil 软件 , 将编写的程序通过编译 , 然后按 Ctrl+F5(或 者点击工具栏的调试按钮 进入调试界面 。 如图 5所示 。图 5调试界面- :360元 /年 技 术 创 新仿 真 技 术PLC 技术应用 200例 您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 图 6仿真图在调试界面的主窗口中 , 左边窗口是 R0R7、 PC 、 ACC 、 B 、DPTR 、 SP 、 PSW 以及各状态字的状态 , 右边窗口显示的是每条程序指令及其地址状态 。 在调试时 , 可以点击单步运行程序指 令 , 通过逐步观察各寄存器及存储器状态变化情况 , 就可很快地 查出程序的错误 。 也可点击全速运行 , 如果程序没有错误 , 这时Proteus 工作区的硬件系统开始工作 , 得到图 6的仿真结果 。另外 也 可以 直 接 将把 编 译 好的 Hex 文 件 固化 到 图 1中的 单 片 机 里 , 也 就 是 说 在 Proteus 软 件 中 , 只 需 将 相 应 的 HEX 文件与单片机连接起来就可以了 。 这种方法方便快捷 , 不用担心 硬件的故障 , 且它是可以无限次数 擦 写 。 接下来 , 就可以运 行工作区的硬件电路了 , 在工作区左下角 , 可以看到共 4个图标 , 它们分别表示全速运行 、 单步运行 、 暂停 、 停止 。 点 击, 电 路 进入 仿 真 的运 行 环 境 , 得 到 的 仿 真 结 果 与 图 6显示的一样 。3.5系统电路的 PCB 设计Proteus 软件本身有 PCB 设计功能 , 可以生成多种格式的 文件 , 供相应的专业 PCB 设计工具调用 , 可以很方便地进行后续 PCB 的设计 。 系统硬件和程序通过了调试仿真后就可以将设计的原理图生成电路印刷板 。如 图 2所 示 , 在 工 具 栏 的 最 右 边 , 可 以 看 到 三个工具按钮 , 点击 可以生成不同格式的材料清单 , 点击进行电气规则 检 查并 生 成 网络 表 , 当 无电 气 连 接错 误 时 , 就可以按生成电路板 。 在弹出的选项框中进行各元器件的封装 设置和完线的属性设置 , 就可快捷生成双面板 PCB 图 。为检验设计的电路和程序的正确性 , 将调试的程序固化到 制作的实物电路板单片机中 , 得到的实物运行实验结果与 Pro-teus 的仿真结果是一致的 。4结束语本文作者的创新点是 :利用 Proteus 软件和 Keil C51集成开 发环境 , 为单片机应用系统的设计开发提供了一种虚拟的直观 的硬件和软件 设 计 环境 , 能 够 大大 提 高 开发 效 率 、 降低 开 发 成 本 、 缩短开发周 期 , 这对 于 单 片机 应 用 系统 的 开 发和 实 验 教学 等具有很大的实用价值 。参考文献 :1李广弟 , 朱月秀 , 王秀山 . 单片机基础 (修订本 J北京 :北京航空 航天大学出版社 ,2002.2李亚 , 常涛 . 利用 74HC595实现多位 Led 显示的新方法 J微计 算机信息 ,2005.21-06Z 期 .3杨世品 , 陈林 . 基于 Proteus 的单片机出租车计价器的设计 J微 计算机信息 ,2007,23;4-2.4宁成军 , 张江霞 . 基于 Proteus 和 Keil 接口的单片机外围硬件 电路仿真 J现代电子技术 ,2006年 29卷 18期 .5胡烨 , 姚鹏翼 , 陈明等 .Protel 99SE 原理图与 PCB 设计教程 J北京 :机械工业出版社 ,2006.作者 简 介 :王 孟 (1981- , 男 (汉 , 湖 北 枣 阳 人 , 硕 士 , 主 要 研 究方向 :计算机应用 ; 陈林 (1963- , 男 (汉 , 湖北武汉人 , 副教授 , 硕士生导师 , 主要研究方向 :电力电子应用 .Biography:WANG Meng (1981-, male, Han national, ZaoYang,Hubei province, postgraduate. The main researching areas:Ap-plication of Computer.(430081武汉科技大学 王孟 陈林通讯地址 :(430081武汉科技大学 114信箱 王孟(收稿日期 :2008.3.23(修稿日期 :2008.5.15(上接第 226页 3Z.Chen,L.Gao Modeling the Spread of Active Worm.IEEE IN-FORM,20034S.Staniford and N.Weaver How to own the Internet inYourS-pareTime.11thUsenixSecuritySymposium,SanFrancisco, August, 20025CC.Zou,L.Gao,W.Gong Monitoring and Early Warning for Inter-net Worms. In 10th ACM Symposiumon Computer and Communication Security Washington 20036T.Liston.Welcom to My Tarpit:The Tactical and Strategic Use of Labrea,D White paper20017M.Williamson.ThrottlingViruses:Restricting Propagation to Defeat Malicious Mobie Code.HP Laboratories Technical Report,20028C.Wong,C.Wang,D.Song,S.Bielski and G.Ganger Dynamic quar-antime of Internet worms.In Proceedings of the International Con-ference on Dependable System and Networks DSN-2004,June 20049Phillip Porras and Linda Briesemeister A Hybrid Quarantine De-fense in Proceedings of the Workshop on Rapid Malcode, (WORM2004 Washington,200410董