Proteus仿真软件在单片机教学和科研中的应用

1、第33卷第11期电子工程师. 33No . 11Vol2007年11月E LECTRON I C E NGI N EER Nov . 2007Proteus 仿真软件在单片机教学和科研中的应用吴志祥, 方晓毅, 徐磊, 彭颖(常州工学院电工电子实验中心, 江苏省常州市213002摘要:单片机课程教学的实践性环节强, 用Pr oteus 软件虚拟单片机, 具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点, 能更好地培养学生解决实际工程问题的能力, 可以提高教学效果。在科研工作中, 采用Pr oteus 仿真, 极方便地观察“”, 统仿真软件工具Pr oteus 在教学和科研中的应用。效率、提升科研工

2、作者的“关键词:Pr 中图分类号设计方法, 教师在课堂上不可能将全部程序写到黑板上进行“同步讲解”让学生理解这个过程。而在机房教学使用Pr oteus 仿真后, 可大大提高教学效率。控制要求是:编程实现按键控制1位数码管, 增加键每按一次, 数码管显示加1, 实现090循环, 减少键每按一次, 数码管显示减1, 实现909循环。原硬件实验板上的电路图见图1 。0引言Pr oteus 是一种基于SP I CE3F5仿真引擎的混合电路仿真软件。其器件库非常丰富, 是一套对单片机及外围电路进行虚拟仿真的优秀软件, 除可以进行一般的电路性能分析外, 还可在未完成硬件平台的情况下进行仿真, 提高开发效率

3、、降低开发成本、缩短开发周期。单片机原理与实践课程是机电、电气、自动化等专业的一门重要课程, 在完善学生专业知识技能结构上占有重要地位。学好这门课程, 对学生技能的提高和就业有着很大的作用。由于本课程是多基础、多理论的实践性学科, 实践环节必须高效。但在以往实验平台电脑+仿真器+实验箱+示波器的实验中, 存在关联设备多、准备工作量大、容易损坏、效率低等问题。出现学生感到难学, 教师感到难教的尴尬局面。采用Pr oteus 软件在电脑上仿真, 很好地解决了这个问题。Pr oteus 提供了丰富的外围硬件, 在嵌入Keil 后, 学生不仅很快可以组合电路、学会编程和调试, 还可在屏幕上看到类似于“

4、动画”效果、极大地提高学生的学习热情的同时, 提升教学效率。Pr oteus 的丰富功能同样在科研项目研发中获得了很好地应用。本文试图通过4个项目案例对Pr oteus 仿真软件在教学和科研中的应用加以分析。图1原硬件平台原理图2是采用Pr oteus 后的仿真界面 。1按键显示应用按键编程是单片机课程教学中不可缺少的部分。从按键的检测判断处理这一过程并不复杂。但学生一开始编程并不熟练, 需要引导, 一步一步掌握程序收稿日期:2007203227; 修回日期:2007206221。图2采用Proteus 后的仿真界面45计算机与自动化技术电子工程师2007年11 月在K1按键上方并联了一个开关

5、式按键S W 1, 用于做按键按下和弹起时的控制演示, 按下按键程序并不进行处理, 只有等待按键释放之后, 程序才会根据得到的按键编码进行相应控制和处理 。程的理解, 并提高了教学效率。2简易2位电压表单片机课程讲解前向通道部分, 总会讲到ADC0809之类经典A /D转换器芯片, 学生在理论知识学完后, 并没有“形象化”认识。而A /D转换器采样和处理的过程是单片机课程中的关键内容, 是组成系统的常用需求之一。通过Pr 仿真调试, 给学生提供。, 要求单, 经过数据处理后2位数码管实现。在本仿真中, 使用了电位器、电压表、数码管、ADC0809、单片机等“设备”。通过调整电位器的动端, 改变

6、ADC0809的输入电压后显示。程序包括采样、数据滤波处理、校正、动态显示与内存分配等内容。锻炼了学生的编程能力, 提高了学习兴趣。电路如图4所示 。图3仿真实验程序通过Pr oteus 和Keil 的联合调试, 如图3仿真实验程序, 在Keil 中设置断点, Pr oteus 下运行, 按下按键停在相应断点上, 观察此时的端口和变量, 加深对按键编图4数字电压表仿真在本实验中, 如果用常规的硬件平台来做, 需使用电脑、仿真器、实验箱外, 还需要电压表等设备。存在准备时间长, 实验过程复杂, 设备容易损坏等问题。分麻烦, 单片机软件调试也很困难。如图5位式温度控制器仿真, 采用Pr oteus

7、 仿真后, 这些问题迎刃而解。仿真时, 根据设定的温度和回差, 控制加热器和风扇使温度稳定在设定温度范围内。温度有按键设定, 2行字符液晶显示温度和控制参数。设计时, 采用五键式控制(增加、减少、左移、右移、确定 ; 用电机仿真模型代替加热器和散热风扇; 液晶显示器的上一行显示给定值、回差等有关参数的设定值, 下一行显示实际温度等; 用电位器电压模拟温度扰动; 用串行A /D检测电压值, 换算到对应温度。在这个案例中表明, 通过适当的变换可变繁就简, 大大加快项目进程, 节约大量时间与费用。在一个电脑桌面上, 完成复杂项目的单片机代码开发。3位式温度控制器开关式温度控制是过程参数中最经典的控制

8、, 具有成本低、可靠性好等优点, 得到了广泛的应用。在现场的实际系统中, 整定系统参数, 如惯性常数、滞后时间、超调量以及控制器本身的P I D 系数等, 都是艰苦而又困难的工作。“开关式”通断控制, 既可以通过简单的大于系统常数的开与关, 控制加热设备达到设定的温度; 又可以小于(或等于 系统常数的开与关, 实现温度的无超调精确控制。这样的系统用硬件组成时十46 第33卷第11期吴志祥, 等:Pr oteus 仿真软件在单片机教学和科研中的应用计算机与自动化技术图5位式温度控制器仿真4步进电机细分驱动步进电机的细分驱动能显著降低电机的振动噪声, 增加扭矩, 有效提高进给精度, 因此, 在现代

9、步进电 机的驱动中被广泛采用。根据有关理论, 对于一特定种类的步进电机, 工作在一频段内有一个合适的细分数。当步进电机工作在变速侍服状态时, 需采用连续细分插补技术。步进脉冲插值的均匀性和插值数量的多少在很大程度上决定了步进电机驱动器质量的优劣。反应在以单片机为核心的驱动器设计时, 整个程序包括判断、表格切换、中断处理、D /A输出等实时内容。变速细分的程序效果很难在实物实验中观察清楚。采用了Pr oteus 和Keil 软件调试这一过程, 利用Pr oteus 提供的示波器和波形分析仪, 程序中出现任何缺陷都暴露无余, 且大大加快了调试进度与精度。细分驱动仿真平台如图6所示。图6细分驱动硬件

10、仿真驱动器中, 实际使用了飞利浦LPC935单片机为核心 , 以提高电机细分数和响应速度。LPC935与MCS51系列单片机兼容, 且是双周期指令, 支持最高晶振18MHz, 内含的双路D /A,捕获I CA 来切换正反47计算机与自动化技术电子工程师2007 年11月转控制信号。在仿真调试时, 用Pr oteus 支持的89C52芯片替代LPC935, 端口连线用MCS51替代, 其余的用LPC935对于可能发生的频率中断(要求电机停止 , 又重新运行, 仅需在信号源的连接上设置一个开关, 并观察示波器或者Keil 程序调试设置断点, 观察变量检测程序是否正常。也由于使用了Pr oteus,

11、 设置几个不同频率点仅需增加几个信号源, 用开关进行切换即可轻松调试。如下图8所示, 获得了非常好的细分效果。驱动器实际硬件输出波形失真度远小于市场上的任何一款产品, , 响应及时, 定位准确。, 仿真过程中遇到的一些Pr oteus 提供的强, 基本都能很好地进行仿Keil 的Pr oteus 软件仿真中, 采用波形分析仪, 调试快捷, 可细致地观测软件运行的任何细节。的设计。在程序设计中, 将LPC935和MCS51不兼容的部分宏定义分别转到两个头文件b935. h 和b51. h 中。编译产生LPC935的hex 只要将#include“b51. h ”这一行指令注释掉, 恢复为#inc

12、lude“b935. h ”。LPC935是双周期指令单片机, 指令运行速度是同频率晶振的6倍。对于运行在18MHz 晶振上的LPC935, 只要将Pr oteus 中的89C52晶振频率设置为108MHz 即可。双路串行D /A的仿真, DAC0808仿真模型。Pr oteus , 7。5结束语本文通过案例介绍了Pr oteus 软件仿真功能。可以看出, 在单片机课程教学和单片机为主的应用系统设计中, 以及科研样机的研发中, 有效地克服了一些纯硬件平台存在的实际问题的束缚, 节省了大量的设备准备、实际电路的连接以及现场试验的时间。从而有效地解决了学生理论与实践脱钩、动手能力不足的问题, 有效

13、地提高了科研工作者的“装备水平”, 大幅度地提高了研发效率。因此, 采用Pr oteus 软件仿真功能, 对提高教学效率与效果、提升产品的研发效率、降低各类成本等有重要意义。参考文献1马忠梅, 刘滨. 单片机高级语C 语言W indows 环境编程图7仿真平台中波形分析仪的使用屏幕左下方第1个按钮是设置波形的起始和结束位置, 诊断波形起始位置是否正常时, 普通硬件示波器无能为力, 存储示波器价格昂贵。采用波形分析仪做这一工作变得简单, 波形的起始两个脉冲不插值, 用于判断频率选择插值表, 运行频率分析仪后的结果如图 8所示, 由图可知结果完全正确。宝典M.北京:北京航空航天大学出版社, 200

14、3.2马正强. 单片机虚拟实验室的建立J .单片机与嵌入式系统应用, 2005(3 :20223.吴志祥(19602 , 男, 高级工程师, 硕士研究生, 主要研究方图8最终获得的细分效果向为嵌入式控制系统技术与应用。Appli cati on of Proteus Simul ati on Software i n Teachi n g and StudyW U Zh i x i a ng, FANG X i a oy i , XU L e i , PENG Y i n g(Depart m ent of Electrical and Electrician s Experi m ental

15、 Center, Changzhou I nstitute of Technol ogy, Changzhou 213002, China Abstract:Practice is the i m port m ent part of MCU course, using PROTE US t o si m ulate MCU envir on 2ment, has many traits such as abundant syste m res ource, more cheaper and visualized hard ware and s o on, it can enhance the

16、 ability of s olving p ractice p r oble m s . A t the sa me ti m e, app lying PROTEUS t o research and devel opment, s ome details can be more clear t o dis p lay, thus i m p r ove the syudy efficiency . This paper intr o 2duces briefly the app licati on ofMCU si m ulati on s oft w are PROTE US in the te