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1、 第4章 虚拟仿真开发工具 Proteus的使用 1虚拟仿真开发：用软件手段对单片机应用系统进行仿真开发，与用户样机硬件无任何联系，只需在PC机安装Proteus，就可进行单片机应用系统的设计开发、虚拟仿真与调试。4.1 Proteus功能概述Proteus是Lab center Electronics公司于1989年推出，为单片机应用系统开发提供的功能强大的虚拟仿真工具。除具有模拟电路、数字电路的仿真功能外，最大特色是对单片机应用系统连同程序运行以及所有的外围接口器件、外部测试仪器一起仿真。2针对单片机的应用，可直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，并实现源代码级实时调试。由于Proteus
2、 具有强大功能与特色，目前已在包括斯坦福大学等全球数千所高校及世界各研发公司广泛应用。Proteus特点：（1）能对模拟电路、数字电路进行仿真。（2）强大的电路原理图绘制功能。（3）支持各种主流单片机仿真，除8051系列外，Proteus还可仿真68000系列、AVR系列、PIC12/16/18系列、Z80系列、HC11、MSP430等其他各主流系列单片机，以及各种外围可编程接口芯片。此外还支持ARM7、ARM9以及TI公司的2000系列某些型号的DSP仿真。（4）元件库中具有几万种元件模型，可直接对单片机各种外围电路进行仿真，如RAM、ROM、总线驱动器、各种可编程外围接口芯片、LED数码管
3、显示器、LCD 显示模块、矩阵式键盘、实时时钟芯片以及多种D/A和A/D 转换器等。虚拟终端还可对RS232总线、I2C总线、SPI总线动态仿真。（5）提供了各种信号源，丰富的虚拟仿真仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器计数器、电压源、电流源、电压表、电流表等。并能对电路原理图的关键点进行虚拟测试。除仿真现实存在的仪器外，还提供与示波器作用相似的图形显示功能，可将线路上变化的信号以图形的方式实时显示出来。仿真时，可运用这些虚拟仪器仪表及图形显示功能来演示程序和电路的调试过程，更清晰地观察到程序和电路设计调试中的细节，发现设计中的问题。（6）提供了丰富的调试功能。在虚拟仿真中具有全速、单步、设
4、置断点等调试功能，同时可观察各变量、寄存器的当前状态。5（7）支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51Vision3、MPLAB（PIC系列单片机的C语言开发软件）等。虚拟仿真不需用户样机，可直接在PC机上进行虚拟设计与调试。然后把调试完毕的程序代码固化在程序存储器中，一般能直接投入运行。尽管Proteus具有开发效率高，不需要附加的硬件开发装置成本，须注意，使用Proteus来对用户系统仿真，是在理想的状况下的仿真，对硬件电路的实时性还不能完全准确地模拟，因此不能进行用户样机硬件部分的诊断与实时在线仿真。所以在单片机系统开发中，一般先在Proteus环境下画出系统的硬件电路图，在K
5、eil C51Vision3环境下书写并编译程序，然后在Proteus下仿真调试通过。然后依照仿真的结果，完成实际的硬件设计，并把仿真通过的程序代码烧录到单片机中，然后安装到用户样机上观察运行结果，如有问题，再连接硬件仿真器去分析、调试。本章重点介绍如何使用Proteus来对单片机系统进行虚拟仿真。至于Proteus软件的其他各种功能，如对模拟电路、7数字电路还有模拟、数字电路的混合系统的设计与仿真，高级PCB布线编辑功能，不是本书讨论的内容，感兴趣的读者可参阅相关书籍。使用Proteus进行软、硬件结合的单片机系统仿真，可将许多系统实例的功能及运行过程形象化。通过虚拟仿真系统的运行，可像焊接
6、好的单片机应用系统的电路板一样，看到系统的执行效果。84.2 Proteus ISIS的虚拟仿真ISIS（智能原理图输入）界面用来绘制单片机系统的电路原理图，在该界面下，还可进行单片机系统的虚拟仿真。当电路连接完成无误后，单击单片机芯片载入经调试通过生成的.hex文件，直接点击仿真运行按钮，即可实现声、光及各种动作等逼真的效果，以检验电路硬件及软件设计的对错，非常直观。图4-1是一个单片机应用系统仿真的例子。单片机控制液晶显示器实时显示输出的广告牌。程序可通过Keil Vision3 (支持C51和汇编语言编程)软件平台编辑、编译成可执行的“*.hex”文件后，直接用鼠标双击AT89C51，把
7、“*.hex”9文件载入即可。单击界面的仿真运行按钮，如程序无误，且硬件电路连接正确，则出现图4-1的仿真运行结果。其中，元器件引脚还会出现红、蓝两色的方点（在微机显示器上可分辨出颜色），来表示此时引脚电平高低。红为高电平，蓝表示低电平。图4-1的单片机系统仿真是在电路原理图上进行的，而电路原理图是在Proteus ISIS（智能原理图输入）环境下绘出。本章后续各节将介绍Proteus ISIS下各种操作命令的功能，以及如何在Proteus ISIS环境下绘制电路原理图的步骤与过程。11图4-1 单片机系统仿真实例4.3 Proteus ISIS 环境简介按要求把Proteus安装在PC机上。
8、安装完后，单击桌面上的ISIS运行界面图标，即可出现如图4-2所示的Proteus ISIS 原理电路图绘制界面（以汉化7.5版本为例）。整个屏幕界面分为若干个区域，由原理图编辑窗口、预览窗口、工具箱、主菜单栏、主工具栏等组成。4.3.1 ISIS各窗口简介ISIS界面主要有3个窗口：原理图编辑窗口、预览窗口和对象选择窗口。12图4-2 Proteus 的ISIS的界面1.原理图编辑窗口用来绘制电路原理图、电路设计、设计各种符号模型的区域，蓝色方框内为可编辑区，元件放置、电路设置都在此框中完成。2.预览窗口可对选中的元器件进行预览，也可对原理图编辑窗口预览。可显示两个内容：（1）如单击元件列表
9、中的元件时，预览窗口会显示该元件符号。（2）当鼠标焦点落在原理图窗口时（即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后），它会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色方框，绿色方框里的内容就是当前原理图窗口中显示的内容。单击绿色方框中的某一点，就可拖动鼠标来改变绿色方框的位置，从而改变原理图的可视范围，最后在绿色方框内单击鼠标，绿色方框就不再移动，使得原理图的可视范围固定，见图4-3。16图4-3 预览窗口调整原理图的可视范围3.对象选择窗口用来选择元器件、终端、仪表等对象。在该窗口中的元件列表区域用来表明当前所处模式以及其中的对象列表，如图4-3所示。在该窗口还有两个按钮：“P”
10、为器件选择按钮和“L”库管理按钮。在图4-4中，可看到元件列表，即已选择了AT89C51单片机、电容电阻、晶振、发光二极管等各种元器件。17图4-4 元件列表 4.3.2 主菜单栏图4-2最上面一行为主菜单栏，包含如下命令：文件、查看、编辑、工具、设计、绘图、源代码、调试、库、模板、系统和帮助。单击任意菜单命令后，都将弹出其下拉的子菜单命令列表。1. 文件（File）菜单包括工程的新建设计、打开设计、导入位图、导入区域、导出区域和打印 等操作，如图4-5所示。ISIS的文件类型有：设计文件（Design Files）、部分文件（SectionFiles）、模块文件（Module Files）和
11、库文件（Library Files）。19设计文件包括一个电路原理图及其所有信息，文件扩展名为“.DSN”。该文件就是电路原理图文件，用于虚拟仿真。从部分的原理图可以导出部分文件，然后读入到其他文件里。这部分文件的扩展名为“.SEC”，可用图4-5的文件菜单中“导入区域(I)”和“导出区域(E)”命令来读和写文件。模块文件的扩展名为“.MOD”， 模块文件可与其他功能一起使用，来实现层次设计。21图4-5 文件菜单符号和元器件的库文件扩展名为“.LIB”。下面介绍文件菜单下的主要几个子命令。（1）新建设计点击【文件】“新建设计”（也可直接点击图4-2主工具栏中的快捷图标），本命令将清除所有的原
12、有设计数据，出现一个空的A4纸。新设计的默认名为“UNTITLED.DSN”。本命令会把该设计以这个名字存入磁盘文件中，文件的其他选项也会使用它作为默认名。如想进行新的设计，需给该设计命名，然后点击【文件】“保存设计”（也可直接点击主工具栏中的快捷图标），输入新的文件名保存即可。22（2）打开设计本命令用来装载一个设计（也可直接点击主工具栏中的快捷图标）。（3）保存设计可在退出ISIS或其他任何时候保存设计。上述两种情况，设计都被保存到装载时的文件中，旧 “.DSN”文件会在名字前加前缀“Back of”。（4）另存为本命令可把设计保存到另一个文件中。23（5）导入区域/导出区域导出区域”命令
13、可把当前选中的对象生成一个局部文件。该局部文件可使用“导入区域”命令到另一个设计中。局部文件导入与导出类似于“块复制”。（6）退出本命令退出ISIS系统。如文件修改过，会出现对话框，问用户是否保存文件。2. 查看（View）菜单包括原理图编辑窗口定位、网格的调整及图形缩放等基本常用子菜单。3. 编辑（Edit）菜单实现各种编辑功能，如：剪切、复制、粘贴、置于下层、置于上层、清理、撤销、重做、查找并编辑元件等命令。4. 工具（Tools）菜单工具菜单见图4-6。菜单中的“自动连线（W）”命令，在绘制电路原理图中用到，命令文字前的快捷图标，在绘制电路原理图时出现，按下快捷图标即进入自动连线状态。菜
14、单中的“电气规则检查（E）”命令，可对绘制完毕的电路原理图可进行是否符合电气规则的检查。255. 设计菜单见图4-7。具有编辑设计属性、编辑页面属性、配置电源、新建一张原理图、删除原理图、转到上一张原理图、转到下一张原理图、转到子原理图、转到主原理图等功能。26图4-6 工具菜单27图4-7 设计菜单6. 绘图（Graph）菜单见图4-8。具有编辑图形、增加跟踪图线、仿真图形、查看日志、导出数据、清除数据、一致性分析以及批处理模式一致性分析功能。28图4-8 绘图菜单7. 源代码（Source）菜单源代码菜单见图4-9。具有添加/删除源文件、设定代码生成工具、设置外部文本编辑器以及全部编译功能
15、。29图4-9 源代码菜单8. 调试（Debug）菜单调试菜单见图4-10。主要完成单步运行、断点设置等功能。30图4-10 调试菜单9. 库（Library）菜单库菜单见图4-11。主要选择元器件及符号、制作元件、制作符号、封装工具、分解、编译到库中、自动放置库文件、检验封装、库管理等功能。图4-11 库菜单10. 模板（Template）菜单模板菜单见图4-12。主要完成模板的各种设置，如图形、颜色、字体、连线等功能。32图4-12 模板菜单11. 系统（System）菜单系统菜单见图4-13。它具有系统信息、文本浏览器、设置系统环境、设置路径等功能。33图4-13 系统菜单12. 帮助（
16、Help）菜单帮助菜单见图4-14。它用来读帮助文档，同时每个元件均可通过属性中的“Help”获得帮助。图4-14 帮助菜单4.3.3 主工具栏主工具栏位于主菜单下面，以图标形式给出，栏中共有38个快捷图标按钮：35每一个图标按钮都对应一个具体的菜单命令，主要目的是为了快捷方便地使用这些命令。下面把38个图标分为4组，简要介绍快捷图标命令的功能。363738394.3.4 工具箱图4-2最左侧为工具箱，选择相应的工具箱图标按钮，系统将提供不同的操作工具。对象选择器根据不同的工具箱图标决定当前状态显示的内容。显示对象的类型包括：元器件、终端、引脚、图形符号、标注和图表等。下面介绍工具箱中各图标按钮对应的功能。（1）模型工具栏各图标的功能4041424344454647器件的仿真模型以及PCB参数，见图4-15。选择了AT89C51，并双击AT89C51，该元件就会在左侧的元件列表中显示，以后用到该元件时，只需在元件列表中选择即可。上述选取元件的方法称“关键字查找法”。关键字可使对象的名称、描
