Proteus单片机应用技术技术实训讲义.docx
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Proteus单片机应用技术技术实训讲义
基于Proteus的单片机应用技术实训
单位:
河北科技学院
机电工程系电气教研室
专业:
12工程机械控制技术
授课教师:
闫晓丽
时间:
2014年5月26~30日
第1章Proteus设计与仿真
Ø了解Proteus的基本功能及相关资源库。
Ø熟悉Proteus的设计环境ProteusISIS及第三方编译工具如WAVE、Keil等。
Ø掌握Proteus中实现单片机系统设计与仿真的步骤与方法。
1.1Proteus简介
1.1.1Proteus概述
Proteus是英国Labcenterelectronics公司研发的一款集单片机仿真和SPICE分析于一身的EDA工具软件,从1989年问世至今,经过了近20年的的使用、发展和完善,功能越来越强,性能越来越好,已在全球广泛使用。
在国外有包括斯坦福、剑桥等在内的几千家高校将Proteus作为电子工程学位的教案和实验平台;在国内Proteus也广泛应用于高校的大学生或研究生电子教案与实验以及公司实际电路设计与生产。
Proteus软件主要具有以下特点:
(1)具有强大的原理图绘制功能。
(2)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
(3)支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有:
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
(4)提供软件调试功能。
具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各变量以及寄存器等的当前状态,并支持第三方编译和调试环境,如wave6000、Keil等软件。
Proteus的基本结构体系见表1-1。
表1-1Proteus结构体系
Proteus
ProteusVSM
ISIS
PROSPICE
微控制器CPU库
元器件和VSM动态器件库
ASF
ProteusPCBDesign
ISIS
ASF
ARES
表中有关概念的说明如下:
ØProteusVSM(VirtualSystemModelling):
Proteus虚拟系统模型;
ØISIS(IntelligentSchematicInputSystem):
智能原理图输入系统;
ØPROSPICE:
混合模型仿真器;
ØASF(AdvancedSimulationFeature)高级图表仿真;
ØProteusPCBDesign:
Proteus印刷电路板设计;
ØARES(AdvancedRoutingandEditingSoftware):
高级布线编辑软件。
Proteus主要由两大部分组成:
ØISIS——原理图设计、仿真系统,用于电路原理图的设计及交互仿真。
ØARES——印刷电路板设计系统,主要用于印刷电路板的设计,产生最终的PCB文件。
本书着重叙述Proteus原理图设计以及利用Proteus实现单片机应用电路系统的设计与仿真方法,其它不详之处请参考相关资料。
1.1.2Proteus的运行环境
要运行Proteus系统,要求计算机系统满足以下软件和硬件环境:
●Win98/Me/2000/XP或更高版本的操作系统
●200MHz或更高速的PentiumCPU
●64MB或以上的内存空间
●64MB或以上的可用硬盘空间
●显示器设置为:
1280×1024
用ProteusVSM实时仿真时,则要求300MHz以上主频的PentiumCPU;如果要实时仿真的电路系统较大或较复杂,采用更高配置的计算机系统,以便获得更好的仿真效果。
1.1.3ProteusVSM的资源库和仿真工具
1、单片机模型库
Proteus能够对多种系列众多型号的单片机进行实时仿真、协调仿真、调试与测试。
以Proteus7.1为例。
表1-2列出了ProteusVSM已有的能够仿真的单片机模型;表1-3列出了ProteusVSM单片机模型的功能;表1-4列出了目前ProteusVSM单片机模型的通用调试能力。
表1-2ProteusVSM单片机模型
单片机模型系列
单片机模型
8051/8052系列
通用的80C31、80C32、80C51、80C52、80C54和80C58
AtmelAT89C51、AT89C52和AT89C55
AtmelAT89C51RB2、AT89C51RC2、和AT89C51RD2(X2和SPI没有模型)
MicrochipPIC系列
PIC10、PIC12C5XX、PIC12C6XX、PIC12F6XX、PIC16C6XX、PIC16CX、PIC16F8X、PIC16F87X、PIC16F62X、PIC18F
AtmelAVR系列
现有型号
MotorolaHC11系列
MC68HC11A8、MC68HC11E9
ParallaxBasicStamp
BS1、BS2、BS2e、BS2ex、BS2p24、BS2p40、BS2pe
ARM7/LPC2000系列
LPC2104、LPC2105、LPC2106、LPC2114、ARM7TDMI和ARM7TDMI-S
表1-3ProteusVSM单片机模型功能
实时仿真
中断仿真
CCP/ECCP仿真
指令系统仿真
SPI仿真
I2C/TWI仿真
Pin操作仿真
MSSP仿真
模拟比较器仿真
定时器仿真
PSP
外部存储器仿真
UART/USART/EUSARTs
ADC仿真
实时时钟仿真
表1-4ProteusVSM单片机模型通用调试能力
工具/语言支持
断电支持
监视窗口
汇编器
标准断点
实时显示数值
C编译器
条件断点
支持混合类型
支持PICBasic
硬件断点
支持拖放
仪器
存储器内容显示
包括指定的SFR
虚拟仪器
在CPU内部
包括指定bit位
从模式规程分析器
在外设
变量窗口
主模式规程分析器
Trace/Debugging模式
堆栈监视
源代码级调试
在CPU内部
网络冲突警告
汇编
在外设
在模型上的Trace模式
高级语言(C或Basic)
与其他Compilers/IDEDE/JIE的集成
2、高级外设模型
表1-5列出了ProteusVSM提供的高级外设模型。
表1-5高级外设模型
虚拟仪器和分析工具
交互式虚拟仪器
双通道示波器、24通道逻辑分析仪、计数/计时器,RS-232连接端子、交/直流电压表、交/直流电压表
规程分析仪
双模式(主/从)I2C规程分析仪
双模式(主/从)SPI规程分析仪
交互式电路激励工具
模拟信号发生器:
可输出方波、锯齿波、三角波、正弦波
模拟信号发生器:
支持1KB的数字数据流
光电显示模型和驱动模型
数字式LCD模型、图形LCD模型、LED模型、七段显示模型、光电驱动模型、光耦模型
电动机模型和控制器
电动机模型、电动机控制模型
存储器模型
I2CEEPROM、静态RAM模型、非易失性EPROM
温度控制模型
温度计和温度自动调节模型、温度传感器模型、热电偶模型
计时模型
实时时钟模型
I2C/SPI规程模型
I2C外设、SPI外设、规程分析仪
一线规程模型
一线EEPROM模型、一线温度计模型、一线开关模型、一线按钮模型、
RS-232/RS-485/RS-422规程模型
RS232连接端子模型、Maxim外观模型
ADC/DAC转换模型
模/数转换模型、数/模转换模型
电源管理模型
正电源标准仪、负电源标准仪、混合电源标准仪、
拉普拉斯转换模型
操作模型、一阶模型、二阶模型、过程控制、线性模型、非线性模型
热离子管模型
二极管模型、五极真空管模型、四极管模型、三极管模型
变换器模型
压力传感器模型
3、其它元件模型库
除上述微控制器、外设模型外,ProteusVSM还提供了其它丰富的元器件库。
●标准电子元器件:
电阻、电容、二极管、晶闸管、光耦、运放555定时器、电源等。
●74系列TTL和4000系列CMOS器件、接插件等。
●存储器:
ROM、RAM、EEPROM、I2C器件等。
●微控制器支持的器件,如I/O口、USART等。
4、激励源
●DC:
直流激励源
●SINE:
幅值、频率、相位可控的正弦波发生器
●PULSE:
幅值、周期和上升/下降沿时间可控的模拟脉冲发生器
●EXP:
指数脉冲发生器
●SFFM:
单频率调频波信号发生器
●PWLIN:
任意分段线性脉冲、信号发生器
●FILE:
File信号发生器,数据来源于ASCII文件
●AUDIO:
音频信号发生器(wav文件)
●DSTATE:
稳态逻辑电平发生器
●DEDGE:
单边沿信号发生器
●DPULSE:
单周期数字脉冲发生器
●DCLOCK:
数字时钟信号发生器
●DPATTERN:
模式信号发生器
5、虚拟仪器
●虚拟示波器(OSCILLOSCOPE)
●逻辑分析仪(LOGICANALYSE)
●计数/计时器(COUNTERTIMER)
●虚拟连接端子(VIRTUALTERMINAL)
●信号发生器(SIGNALGENERATOR)
●模式发生器(PATTERNGENERATOR)
●交/直流电压表和电流表(AC/DCVOLTMETER/AMMETER)
6、仿真图表
Proteus提供的图表可以控制电路的特定仿真类型并显示仿真结果,主要有以下13种:
●模拟图表(ANALOGUE)
●数字图表(DIGITAL)
●混合模式图表(MIXED)
●频率图表(FREQUENCY)
●传输图表(TRANSFER)
●噪声分析图表(NOISE)
●失真分析图表(DISTORTION)
●傅立叶分析图表(FOURIER)
●音频图表(AUDIO)
●交互式分析图表(INTERACTIVE)
●性能分析图表(CONFORMANCE)
●DC扫描分析图表(DCSWEEP)
●AC扫描分析图表(ACSWEEP)
1.2ProteusISIS初识
1.2.1进入ProteusISIS
双击桌面上的ISIS7Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”,出现如图1-1所示界面,表明进入ProteusISIS集成环境。
本书采用Proteus7.1版本。
图1-1ISIS启动时的界面
1.2.2ISIS工作窗口
ProteusISIS的工作窗口是一种标准的Windows界面,如图1-2所示。
包括:
标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口以及图形编辑窗口等。
●主菜单
ISIS主菜单包括各种命令操作,利用主菜单中的命令可以实现ISIS的所有功能。
主菜单共有12项,每一项都有下一级菜单,使用者可以根据需要选择该级菜单中的选项,其中许多常用操作在工具栏中都有相应的按钮,而且一些命令右方还标有该命令的快捷键。
●图形编辑窗口
在图形编辑窗口中可以编辑原理图、设计电路、设计各种符号、设计元器件模型等,它是各种电路、单片机系统的Proteus仿真平台。
注意:
此窗口没有滚动条,可单击对象预览窗口来改变可视的电路图区域。
●预览窗口
预览窗口可以显示内容:
(1)当单击对象选择器窗口中的某个对象时,预览窗口就会显示该对象的符号。
(2)当单击绘图工具栏中的
按钮后,预览窗口中一般会出现蓝色方框和绿色方框:
蓝色方框内是可编辑区的缩略图,绿色方框内是当前编辑区中在屏幕上的可见部分,在预览窗口蓝色方框内某位置单击,绿色方框会改变位置,同时编辑区中的可视区域也作相应的改变、刷新。
图1-2ProteusISIS的工作窗口
●对象选择器窗口
对象选择器窗口中显示设计时所选的对象列表,对象选择按钮用来选择元器件、连接端子、图表、信号发生器、虚拟仪器等。
其中有条形标签“P”、“L”和“DEVICES”,单击“P”则可以从库中选取元件,并将所选元器件名一一列在对象选择器窗口中,“L”为库管理按钮,单击时会显示一些元器件库。
●预览对象方位控制按钮
对于具有方向性的对象,利用此按钮来改变对象的方向,需要注意的是在ISIS原理图编辑窗口中,只能以90
间隔(正交方式)来改变对象的方向。
旋转:
旋转角度只能是90
的整数倍。
直接单击旋转按钮,则以90
为递增量旋转。
翻转:
完成水平翻转和垂直翻转。
使用方法:
先右击元件,再单击相应的旋转按钮。
多个元件的旋转用块操作来实现。
●仿真进程控制按钮
仿真进程控制按钮
主要用于交互式仿真过程的实时控制,从左到右依次是:
运行、单步运行、暂停、停止。
●状态栏
指示当前电路图的编辑状态以及当前鼠标指针坐标的位置以英制显示在屏幕的右下角。
●工具栏分类及其工具按钮
工具栏分类及其工具按钮见表1-6,各自功能分述如下:
表1-6工具栏分类及其工具按钮
工具栏
命令
工具栏
文件操作
显示命令
编辑操作
设计操作
模式选择
工具栏
主模式选择
小型配件
2D绘图
方向工具栏
转向
仿真工具栏
仿真进程控制
(1)文件操作按钮
从左到右依次为:
新建:
在默认的模板上新建一个设计文件;
打开:
装载一个新设计文件;
保存:
保存当前设计;
导入:
将一个局部(Section)文件导入ISIS中;
导出:
将当前选中的对象导出为一个局部文件
打印:
打印当前设计;
区域:
打印选中的区域。
(2)显示命令按钮
从左到右依次为:
显示刷新、显示/不显示网格点切换、显示/不显示手动原点、以鼠标所在的点为中心进行显示、放大、缩小、查看整张图、查看局部图。
(3)编辑操作按钮
从左到右依次为:
撤销最后的操作(Undo)、恢复最后的操作(Redo)、剪切选中的对象(Cut)、复制到剪贴板(Copy)、从剪贴板粘贴(Paste)、复制选中的块对象(BlockCopy)、移动选中的块对象(BlockMove)、旋转选中的块对象(BlockRotate)、删除选中的块对象(BlockDelete)、从元件库中选取元件(PickDevice/Symbol)、把原理图符号封装成元件(MakeDevice)、对选中的元件定义PCB封装(PackageTool)、把选中的元件打散成原始的组件(Decompose)。
(4)设计操作按钮
从左到右依次为:
自动布线(WireAuto-router)、查找并选中(Search&TagProperty)、属性标注工具(AssignmentTool)、设计管理器(DesignExplorer)、新建绘图页(NewSheet)、删除当前页(DeleteSheet)、转入子设计页(ZoomtoChild)、材料清单(BillofMaterial)、电气规则检查(ElectricalRulesCheck)、导出网表进入PCB布图区(NetlisttoArea)。
(5)主模式选择按钮
从左到右依次为:
选择元器件(Component,默认选择)、放置连接点(JunctionDot)、放置标签(WireLabel)、放置文本(TextScript)、画总线(Bus)、画子电路(Sub-Circuit)、即时编辑模式(InstantEditMode)。
(6)小型配件按钮
从左到右依次为:
连接端子(Terminal,有VCC、地、输入、输出等)、元器件引脚(DevicePin,用于绘制各种引脚)、仿真图表(SimulationGraph,用于各种分析)、录音机、信号发生器(Generator)、电压探针(VoltageProbe)、电流探针(CurrentProbe)、虚拟仪表(VirtualInstruments)。
(7)2D绘图按钮
从左到右依次为:
画各种直线(Line)、画各种方框(Box)、画各种圆(Circle)、画各种弧(Arc)、画各种多边形(2DPath)、画各种文本(Text)、画符号(Symbol)、画原点(Marker)
1.3Proteus设计与仿真基础
1.3.1单片机系统的Proteus设计与仿真的开发过程
Proteus强大的单片机系统设计与仿真功能,使之成为单片机系统应用开发和改进手段之一,开发的整个过程都是在计算机上完成的,其过程一般分为三步:
(1)Proteus电路设计:
在ISIS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气规则检查等。
(2)Proteus源程序设计和生成目标代码文件:
在ISIS平台上或借助第三方编译工具进行单片机系统程序设计、编辑、汇编编译、代码级调试,最后生成目标代码文件(*.hex)。
(3)Proteus仿真:
在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中,由此实现系统实时交互与协同仿真。
1.3.2ISIS鼠标使用规则
在ISIS中,鼠标操作与传统的发生不同,右键选取、左键编辑或移动:
●右键单击——选中对象,此时对象呈红色;再次右击已选中的对象,即可删除对象。
●右键拖拽——框选一个块的对象。
●左键单击——放置对象或对选中的对象编辑属性。
●左键拖拽——移动对象。
●按住鼠标中心键滚动——以鼠标停留点为中心,缩放电路。
1.3.3PROTEUS文件类型
PROTEUS中主要的文件类型有以下几种:
●设计文件(*.DSN):
包含了一个电路所有的信息。
●备份文件(*.DBK):
保存覆盖现有的设计文件时而产生的备份。
●局部文件(*.SEC):
设计图的一部分,可输出为一个局部文件,以后可以导入到其他的图中。
在文件菜单中以导入(Import)、导出(Export)命令来操作。
●模型文件(*.MOD):
包含了元器件的一些信息。
●库文件(*.LIB):
包含元器件和库。
●网表文件(*.SDF):
输出到PROSPICEANDARES时产生的文件。
1.3.4单片机系统的Proteus设计与仿真实例
为更快掌握单片机Proteus设计与仿真操作,举一简单实例,用Proteus设计一个AT89C51单片机简单系统并实时交互仿真,该系统用按键通过单片机控制LED发光二极管发光。
设LED发光二极管的初始状态为灭,按一下按键,LED灭,再按,LED亮,如此循环,亮灭交替。
该简单实例的电路原理图如图1-3所示。
图1-3“简单实例”的电路原理图图1-4创建新设计文件对话框
根据单片机系统的Proteus设计与仿真开发设计流程,具体步骤如下:
1、Proteus电路设计
根据图1-3所示的电路原理图设计其电路,整个设计都是在ISIS编辑区中完成。
(1)新建设计文件
运行ISIS,它会自动打开一个空白文件,或者选择工具栏中的
按钮,也可以执行菜单命令:
“File”→“NewDesign”,在图1-4创建新设计文件对话框中选择创建新设计文件的模板(本电路我们选择的是DEFAULT默认模板),单击“OK”按钮,创建一个空白文件。
不管哪种方式新建的设计文件,其默认文件名都是UNTITLED.DSN,其图纸样式都是基于系统的默认设置,如果图纸样式有特殊要求,用户可以从System菜单进行相应的设置(如要设定图纸大小,可在System菜单下的SetSheetSize进行选择)。
单击按钮
,弹出“SaveISISDesignFile”对话框,选择好设计文件的保存地址后,在文件名框中输入设计文件名(本实例的文件名取为START),再单击“保存”按钮,则完成新建设计文件操作,其扩展名自动为.DSN。
(2)选取元器件并添加到对象选择器中
本例所需元器件名称及包含该元器件的元器件库名称如表1-7所示。
表1-7图1-3电路所用元器件列表
元器件名称
元器件库名称
元器件名称
元器件库名称
单片机AT89C51
MicroprocessorICS
晶振CRYSTAL
Miscellaneous
按钮BUTTON
Switches&Relays
发光二极管LED-RED
Optoelectronics
瓷片电容CAP
Capacitors
上拉电阻PULLUP
ModellingPrimitives
电解电容CAP-ELEC
Capacitors
电阻RES
Resistors
选择主模式工具栏中的
按钮,并选择如图1-5所示对象选择器中的P按钮,出现图1-6所示的选择元器件对话框。
另外直接单击编辑工具栏中的
按钮,或者使用快捷键P(ISIS系统默认的快捷键,表示Pick),同样会出现图1-6所示的选择元器件对话框。
图1-5对象选择器中的P按钮
图1-6选择元器件对话框
在其左上“Keywords”一栏中输入元器件名称“AT89C51”,则会出现与关键字匹配的元器件列表,选中并双击AT89C51所在行或单击AT89C51所在行后,再单击“OK”按钮,便将器件AT89C51加入到ISIS对象选择器中。
按此操作方法完成其它元器件的选取,将本例中所用的元器件都加入到ISIS对象选择器中,如图1-7所示。
图1-7选取元器件均加入到ISIS对象选择器中
上述元器件的查找是通过元器件的关键字进行查找。
关键字可以是对象的名称(全名或其部分)、描述、分类、子类,甚至是对象的属性值。
若搜索结果相匹配的元器件太多,可以通过限定分类、子类来缩小搜索范围。
如要找12K电阻,可以在Keywords编辑框中输入12K,并用鼠标单击Resistors库,可以很大程度地限制系统查找结果。
元器件的查找还可以通过分类进行查找,以元器件所属大类、子类甚至生成厂家为条件一级一级地缩小范围进行查找。
在具体操作时,常将这两种方法结合使用。
(3)图纸栅格设置
在ISIS编辑区内有点状的栅格,可以通过View菜单的Grid命令在打开和关闭间切换。
点与点之间的间距由当前的捕捉设置决定,捕捉的尺度也是移动元器件的步长单位,可根据需要改变这一单位。
单击菜单View后,在其下拉菜单中单击所需要的捕捉栅格单位即可,如图1-8所示。
或者直接使用快捷键F4、F3、F2和CTRL+F1进行相关选择。
图1-8捕捉栅格单位选择
若要确切地看到捕捉位置,可以使用View菜单的X-Cursor命令,选中后将会在捕捉点显示一个小的或大的交叉十字。
(4)元器件放置与布局
单击ISIS对象选择器中的元器件名,蓝色条出现在该元器件名上。
把鼠标移动到编辑区某位置后,单击就可放置元器件于该位置,每单击一次,就放置一个元器件。
要移动元器件,先右击使元器件处于选中状态(即高亮度状态),再按住左键拖动,元器件就跟随指针移动,到达目的地后,松开鼠标即可。
对于误放置的元器件,右键双击该对象,即可删除,如
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