電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)講座

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建〔電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)講座〕,主講人：李 進(jìn),,單 位：青島科技大學(xué),,前 言,在電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)中，所遇到的最大困難是動(dòng)手能力的培訓(xùn)雖然有各種實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)箱，但都不能滿足千變?nèi)f化的設(shè)計(jì)要求而且也不能滿足學(xué)生的要求如何能使設(shè)計(jì)的方案盡快、盡量省錢的看到結(jié)果，是我們一直追求的目標(biāo)為此，我們構(gòu)建虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，隨時(shí)隨地都可以方便的進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)Proteus 軟件介紹,Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)是由英國 Labcenter 公司開發(fā)〔授權(quán)我國風(fēng)標(biāo)公司為中國大陸的總代理〕，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)PROTEUS,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和,PCB,設(shè)計(jì)等全部功能PROTEUS,,軟件包已有近,20,年的使用歷史，在全球擁有龐大的企業(yè)用戶群，是目前惟一能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試與測試的,EDA,工具，真正實(shí)現(xiàn)了在沒有目標(biāo)原形時(shí)就可對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測試與驗(yàn)證。

PROTEUS,,軟件包大大提高了企業(yè)的開發(fā)效率，降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)由于 PROTEUS 軟件包逼真、真實(shí)的協(xié)同仿真功能，得到了包括劍橋在內(nèi)的眾多大學(xué)用戶，作為電子學(xué)或嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和水平考試平臺(tái)Labcenter 公司為支持大學(xué)進(jìn)行電子系統(tǒng)的教學(xué)，特別推出了大學(xué)優(yōu)惠方案，充分降低教育機(jī)構(gòu)使用PROTEUS軟件包用于組建實(shí)驗(yàn)室或培訓(xùn)室的門檻內(nèi)容提要,PROTEUS,簡介,,PROTEUS ISIS,,原理圖輸入,,電路仿真與分析,,人性化測量方法,,高級電路設(shè)計(jì)與仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真概述,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析,,第三方工具的應(yīng)用,,PROTEUS,與,Keil,整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室,,PROTEUS,綜合應(yīng)用,,PROTEUS 構(gòu)成,Proteus 是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)ISIS為功能強(qiáng)大的原理布線工具ARES PCB設(shè)計(jì)為一PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)布線/編輯,,ARES,處理器,,仿真模型,,VSM,高級圖形,,分析模塊,動(dòng)態(tài),,器件庫,混合模型,,仿真器,原理圖輸入,,系統(tǒng)ISIS,PROTEUS,,ISIS 智能原理圖輸入流程,,設(shè)置編輯環(huán)境：用戶可自定義,,圖形外觀，包括線寬、填充類,,型、字符等。

原理圖連線：點(diǎn)擊元件引腳或,,者先前連好的線，就能實(shí)現(xiàn)連,,線；也可使用自動(dòng)連線工具連,,線；,,建立網(wǎng)絡(luò)表：網(wǎng)絡(luò)表是電路板,,與電路原理圖之間的紐帶建,,立的網(wǎng)表用于,PCB,制板報(bào)表輸出：材料報(bào)表、,ERC,報(bào),,表等開始,新建設(shè)計(jì)文檔,設(shè)置編輯環(huán)境,放置元器件,原理圖連線,建立網(wǎng)絡(luò)表,電氣規(guī)則檢查,存盤、報(bào)表輸出,結(jié)束,調(diào)整,是否合格,N,Y,,741放大器電路,,PTOTEUS VS仿真與分析,PROTEUS VSM中的整個(gè)電路分析是在ISIS原理圖設(shè)計(jì)模塊下延續(xù)下來的，原理圖中包含：,,直接布置在線路上的探針；,,電路鼓勵(lì)；,,虛擬儀器；,,曲線圖表——詳細(xì)內(nèi)容,,任何時(shí)候都能通過按下運(yùn)行按鈕或空格對電路進(jìn)行仿真PROTEUS VSM有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真交互式仿真檢驗(yàn)用戶所設(shè)計(jì)的電路是否能正常工作——交互式仿真圖,,基于圖表的仿真用來研究電路的工作狀態(tài)和進(jìn)行細(xì)節(jié)的測量——基于圖表的仿真,,PROTEUS VSM中的人性化測量,,探針,電壓探針〔Voltage probes〕 -即可在模擬仿真中使用，也可在數(shù)字仿真中使用在模擬電路中記錄真實(shí)的電壓值，而在數(shù)字電路中，記錄邏輯電平及其強(qiáng)度。

電流探針〔Current probes〕 - 僅可在模擬電路中使用，并可顯示電流方向探針既可用于基于圖表的仿真，也可用于交互式仿真中,,鼓勵(lì)源,DC：直流電壓源；,,Sine：幅值、頻率、相位可控的正弦波發(fā)生器Pulse：幅值、周期和上升/下降沿時(shí)間可控的模擬脈沖發(fā)生器Exp：指數(shù)脈沖發(fā)生器SFFM：單頻率調(diào)頻波信號發(fā)生器Pwlin：任意分段線性脈沖、信號發(fā)生器File：File信號發(fā)生器數(shù)據(jù)來源于ASCII文件Audio：音頻信號發(fā)生器DState：穩(wěn)態(tài)邏輯電平發(fā)生器DEdge：單邊沿信號發(fā)生器DPulse：單周期數(shù)字脈沖發(fā)生器DClock：數(shù)字時(shí)鐘信號發(fā)生器DPattern：模式信號發(fā)生器模擬脈沖鼓勵(lì)源,用于為仿真分析產(chǎn)生各種周期輸入信號，包括方波、鋸齒波、三角涉及單周期短脈沖模擬脈沖,,信號輸出,,指數(shù)脈沖鼓勵(lì)源,產(chǎn)生與RC充電/放電電路相同的脈沖波指數(shù),,信號輸出,,單頻率調(diào)頻波鼓勵(lì)源,調(diào)頻波,,信號輸出,,Pwlin信號鼓勵(lì)源,任意分段線性脈沖、信號發(fā)生器,Pwlin,,信號輸出,,File信號鼓勵(lì)源,發(fā)生器的數(shù)據(jù)來源于ASCII文件BAK文件,,信號輸出,,音頻信號鼓勵(lì)源,使用Windows WAV 文件作為輸入文件。

結(jié)合音頻分析圖表，可以聽到電路對音頻信號處理后的聲音音頻信號,,輸出,,單周期數(shù)字脈沖鼓勵(lì)源,數(shù)字脈沖,,信號輸出,,數(shù)字時(shí)鐘信號鼓勵(lì)源,數(shù)字時(shí)鐘,,信號輸出,,數(shù)字模式信號鼓勵(lì)源,數(shù)字模式,,信號輸出,,虛擬儀器,虛擬示波器(OSCILLOSCOPE),,邏輯分析儀(LOGIC ANALYSER),,定時(shí)計(jì)數(shù)器(COUNTER TIMER),,虛擬終端(VIRUAL TERMINAL),,SPI調(diào)試器(SPI DEBUGGER),,I2C調(diào)試器(I2C DEBUGGER),,信號發(fā)生器(SIGNAL GENERATOR),,模式發(fā)生器(PATTERN GENERATOR),,電壓表和電流表〔AC/DC voltmeters/ammeters〕,,模式發(fā)生器,,模式發(fā)生器,,編碼信號,調(diào)試端口輸出,,模式信號,,虛擬終端,,模式發(fā)生器,,編碼信號,虛擬終端輸出模式信號,,信號發(fā)生器〔調(diào)幅〕,信號源名稱,補(bǔ)償電壓(V),幅值(V),頻率(Hz),時(shí)延(°),（A）,0,1,1K,0,正弦信號,,參數(shù),,調(diào)幅信號,,輸出,信號發(fā)生器,,參數(shù)設(shè)置,,曲線圖表,模擬圖表〔ANALOGUE〕,,數(shù)字圖表 (DIGITAL),,混合分析圖表 (MIXED),,頻率分析圖表 (FREQUENCY),,轉(zhuǎn)移特性分析圖表 (TRANSFER),,噪聲分析圖表 (NOISE),,失真分析圖表 (DISTORTION),,傅立葉分析圖表 (FOURIER),,音頻分析圖表 (AUDIO),,交互分析圖表 (INTERACTIVE),,一致性分析圖表 (CONFORMANCE),,直流掃描分析圖表 (DC SWEEP),,交流掃描分析圖表 (AC SWEEP),,基于轉(zhuǎn)移特性分析圖表的電路分析,,,數(shù)字分析圖表:用于繪制邏輯電平值隨時(shí)間變化的曲線，圖表中的波形代表單一數(shù)據(jù)位或總線的二進(jìn)制電平值 .,,,混合分析圖表:可以在同一圖表中同時(shí)顯示模擬和數(shù)字信號的波形.,,,直流掃描分析:可以觀察電路元件參數(shù)值在用戶定義范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，對電路工作狀態(tài)〔電壓或電流〕的影響〔如觀察電阻值、晶體管放大倍數(shù)、電路工作溫度等參數(shù)變化對電路工作狀態(tài)的影響〕。

也可以通過掃描鼓勵(lì)元件參數(shù)值實(shí)現(xiàn)直流傳輸特性的測量交流掃描分析可以建立一組反映元件在參數(shù)值發(fā)生線性變化時(shí)的頻率特性曲線主要用來觀測相關(guān)元件參數(shù)值發(fā)生變化時(shí)對電路頻率特性的影響交互式仿真〔741放大電路〕,交互式電路仿真是電路分析的一個(gè)最重要的局部輸入原理圖后，通過在期望的觀測點(diǎn)放置電流/電壓探針，或虛擬儀器，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可觀測到電路的實(shí)時(shí)輸出基于圖表的電路仿真與分析〔741放大電路〕,頻率分析：用于繪制小信號電壓增益或電,,流增益隨頻率變化的曲線，即繪制波特圖可描繪電路的幅頻特性和相頻特性模擬分析:用于繪制一條或多條電壓或電流,,隨時(shí)間變化的曲線基于圖表的電路仿真與分析〔741放大電路〕,失真分析用于確定由測試電路所引起的電平,,失真的程度，失真分析圖表用于顯示隨頻率,,變化的二次和三次諧波失真電平噪聲分析：顯示隨時(shí)間變化的輸入、輸出噪,,聲電壓；可產(chǎn)生單個(gè)元件的噪聲電壓清單人性化測量方法,利用不同顏色電路連線顯示相應(yīng)電壓,,利用箭頭顯示電流方向,探針實(shí)時(shí)顯示,,電壓/電流值,暫停時(shí)，使用Virtual Instruments,,按鈕，可顯示元件參數(shù)信息,,,高級電路設(shè)計(jì)——子電路及模塊電路,在電路設(shè)計(jì)中，建立子電路，或模塊電路均可實(shí)現(xiàn)電路的層次化。

特殊元件通過電路圖表表示為模塊能夠任意設(shè)定層次，將模塊像標(biāo)準(zhǔn)元件或可設(shè)置或切除的界面斷口所在的特殊子電路塊一樣繪制出來子電路,模塊電路,,子電路F1電路原理圖,,模塊電路VCO1電路原理圖,子電路或模塊電路均通過端口名稱與主電路連接,,PROTEUS微處理器系統(tǒng)仿真,在基于微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，即使沒有物理原型，Proteus VSM也能夠進(jìn)行軟件開發(fā)模型庫中包含LCD顯示、鍵盤、按鈕、開關(guān)等通用外圍設(shè)備同時(shí)，提供的CPU模型有ARM7、PIC、Atmel AVR、Motorola HCXX以及8051/8052系列單片機(jī)系統(tǒng)的仿真是PROTEUS VSM的一大特色同時(shí)，本仿真系統(tǒng)將源代碼的編輯和編譯整合到同一設(shè)計(jì)環(huán)境中，這樣使得用戶可以在設(shè)計(jì)中直接編輯代碼，并可容易的查看到用戶對源程序修改后對仿真結(jié)果的影響VSM甚至能仿真多個(gè)CPU，它能便利處理兩個(gè)或以上微控制器的聯(lián)結(jié)與設(shè)計(jì)微處理器系統(tǒng)仿真與分析——原理圖輸入,ISIS支持總線結(jié)構(gòu),Proteus VSM能把微處理器和連接該微,,處理器的任何模擬和數(shù)字器件協(xié)同仿真,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——建立源代碼文件,選擇代碼生成工具,建立新的源代碼文件,定義新的源代碼文件名稱,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——源代碼文件與單片機(jī)的鏈接,源代碼編輯,源代碼編譯、鏈接,使用.HEX文件實(shí)現(xiàn)源,,程序與單片機(jī)的鏈接,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——交互式仿真,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)輸出結(jié)果,實(shí)時(shí)顯示元器件,,引腳電平,,微處理器系統(tǒng)仿真與分析——彈出式窗口,源代碼窗口：提供了四種程序執(zhí)行命令按鈕,,程序調(diào)試斷點(diǎn),處理器程序計(jì)數(shù)器的當(dāng)前位置,,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器窗口,SFR存儲(chǔ)器窗口,CPU存放器窗口,觀測窗口,,第三方工具的應(yīng)用,第三方代碼生成工具 :,,Proteus許多共享匯編軟件,,或編譯器可從系統(tǒng)CD上安,,裝到Proteus TOOLS目錄下，,,并且會(huì)被自動(dòng)作為Proteus的,,代碼生成工具。

第三方源代碼編輯器 :PROTEUS VSM 提供了一個(gè)簡明的源代碼文本編輯器SRCEDIT ,用戶還可使用第三方源代碼編輯器，如UltraEdit 第三方IDE ：用戶可使用第三方IDE，如IAR‘s Embedded Workbench、 Keil’s uVision 2、Microchip‘s MP-LAB和Atmel’s AVR studio開發(fā)源代碼，并進(jìn)行編輯，生成可執(zhí)行文件〔如HEX或COD文件〕后切換到Proteus VSM ，然后進(jìn)行仿真PROTEUS,與,Keil,整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室,PROTEUS特點(diǎn)：,,Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫在Proteus軟件中，理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteus還可以以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示線路上變化的信號虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，可減少儀器對測量結(jié)果的影響Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號Keil 特點(diǎn)：,全功能的源代碼編輯器；,,器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置；,,工程管理器用來創(chuàng)立和維護(hù)用戶的工程；,,集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用；,,所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框形式的；,,真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器；,,高級GDI〔AGDI〕接口用來在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進(jìn)行通信；,,PROTEUS與Keil聯(lián)調(diào),Keil處于運(yùn)行狀態(tài),PROTEUS同時(shí),,進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),,PROTEUS綜合應(yīng)用1——基于AT89C52的模糊控制算法的溫控儀設(shè)計(jì),采用Pt100溫度傳感器，測溫范圍0--100℃；,,系統(tǒng)可設(shè)定溫度值；,,設(shè)定溫度值與測量溫度值可實(shí)時(shí)顯示；,,控溫精度：±0.5℃。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖：,設(shè)定輸入,單片機(jī),LED顯示,控制輸出,雙向可,,控硅,繼電器,控制,,對象,風(fēng)扇,信號調(diào),,理電路,A/D采集,,電路,加熱絲,傳感器,,鉑電阻測溫調(diào)理電路,,,A/D接口電路,,,顯示電路,,控制電路,,,,系統(tǒng)總圖,,仿真結(jié)果,,輸出控制信號占空比,設(shè)定溫度為55℃、實(shí)際溫度為54℃時(shí)，系統(tǒng)輸出的功率信號,,,,,,,設(shè)定溫度為55℃、實(shí)際溫度為53℃時(shí)，系統(tǒng)輸出的功率信號,,輸出控制信號占空比,設(shè)定溫度為55℃、實(shí)際溫度為40℃時(shí)，系統(tǒng)輸出的功率信號,,,PROTEUS綜合應(yīng)用2——,基于AT90S8515的頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),,HS1101組成的頻率發(fā)生電路；,,AT90S8515頻率測量；,,采用串行通信方式，將頻率值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：,HS1101,,頻率發(fā)生,,電路,AVR,,單,,片,,機(jī),MAX232,,電平轉(zhuǎn)電路,計(jì),,算,,機(jī),RS232,,HS1101構(gòu)建的頻率發(fā)生電路,,HS1101構(gòu)建的頻率發(fā)生,,電路的輸出結(jié)果圖,,測頻電路總圖,,系統(tǒng)仿真結(jié)果圖,,其它方面的應(yīng)用,,在教學(xué)中的應(yīng)用,,在學(xué)生課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,,在科研中的應(yīng)用,,詳細(xì)內(nèi)容參見:,,?基于PROTEUS的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真?,,----北航出版社,,2006年4月下旬正式出版,,參考書,,參考書,,以上內(nèi)容有不當(dāng)之處，敬請各位同仁指正！青島科技大學(xué) 李進(jìn)2021年7月18日,,,。