1、單片機原理及接口技術華中科技大學出版社2013-21第9章 Proteus虛擬仿真設計9.1 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter electronics公司開發的EDA工具軟件，它實現了從原理圖設計、代碼調試到單片機與外圍電路的協同仿真，可一鍵切換到PCB設計，實現了從概念到產品的完整設計。Proteus軟件包括兩部分，第一部分為Proteus VSM（Virtual System Modelling）;第二部分為Proteus PCB Design Package，即Proteus印刷電路板設計包。442Proteus VSMProteus VSM組合了混合模式SPIC

2、E電路仿真、動畫器件及微處理器模型，可以實現完整的基于微控制器設計的協同仿真。Proteus軟件第一次使得在物理原型被構建之前進行開發及測試設計成為可能。使用Proteus虛擬系統模型（VSM）工具，可以改變產品的設計周期，從而降低開發成本、縮短產品投入市場時間。443傳統開發過程使用Proteus VSM開發過程4449.2 智能原理圖輸入系統ISISISIS（Intelligent Schematic Input System,智能原理圖輸入系統）Proteus ISIS是一個易于使用、具有強大編輯功能的電路設計工具，其原理圖捕獲既支持電路仿真又支持PCB設計。用于Proteus VSM測

3、試的設計可以使用PCB設計工具或第三方工具產生網表。ISIS也有較強的繪圖控制能力，如可對線寬、填充風格、字體等進行自定義。445ISIS的主要特點豐富的器件庫：超過10000種元器件，可方便地創建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：連接導線簡單快捷，具備快速自動連線功能；支持總線結構：使用總線器件和總線布線，做到電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以供WORD、Powerpoint等多種文檔使用。446電路仿真 ( ProSPICE )Proteus VSM 的核心為ProSPICE，這是一個組合了S

4、PICE3f5模擬仿真內核及基于快速事件驅動的數字仿真器以提供無縫混合仿真的產品。基于SPICE 內核可以使用戶使用數目眾多的制造廠家提供的SPICE 模型，目前該軟件包已包含約35000個仿真器件。Proteus可實現電路仿真設計、PCB設計和虛擬模型仿真的三合一設計平臺，其處理器模型支持8051，68000，Z80，HC11，PIC1012161824DSPIC33，AVR，ARM，8086，MSP430，TMS320等，可編譯匯編語言，同時支持IAR，Keil和MPLAB等多種編譯器。447Proteus軟件資源豐富，除上文提到的一系列的微控制器外，庫中還有成千上萬的無源的、TTL/CM

5、OS、存儲器等標準器件模型，包含有30多個元件庫。儀表資源有：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發生器、數字圖案發生器、頻率計/計數器、交直流電壓表、交直流電流表等；Proteus VSM還配備了大量的嵌入式外圍器件模型庫，例如8155、8255、8250、8259、直流/步進/伺服電機、以太網控制芯片等。448Proteus印刷電路板設計所有的Proteus PCB 設計包包括了一個集成的基于形狀的自動布線器及一個基礎的SPICE仿真器作為標配，更高級的布線模式包含在Proteus PCB Design Level 2/2+/3里，產品以不同的級別方式提供，它們提

6、供了不同級別的功能設計能力。在Proteus原理圖設計完成后，一鍵便可進入ARES（高級布線編輯軟件）的PCB設計環境，實現從概念到產品的完整設計。449Proteus印刷電路板特點先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設計更為合理；最多可設計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），禁止布線區，阻焊區及錫膏覆蓋區；靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規則檢查；3D 可視化預覽；可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導入或導出，方便與其它PCB設計工具的互轉（如protel）和PCB板的設計和加工。4509.

7、2 Proteus ISIS原理圖設計與仿真在完成軟件安裝后，Proteus程序菜單會出現在電腦的開始菜單及桌面上，雙擊桌面上的 圖標，即可進入智能原理圖輸入系統，主要包括標題欄、菜單欄、標準工具欄、繪圖工具欄、預覽窗口、元件列表窗口、對象方向控制欄、電路圖編輯窗口、仿真控制按鈕及狀態欄等。451Proteus ISIS菜單欄Proteus ISIS菜單欄Proteus ISIS繪圖工具欄Proteus軟件的工具欄包括標準工具欄與繪圖工具欄兩個大部分。其中，標準工具欄中包含了一些文件處理常用的工具、屏幕縮放以及與元件PCB封裝相關的一些工具；而繪圖工具欄則包含了模式選擇工具以及普通字符曲線繪制

8、工具。452Proteus ISIS繪圖工具欄 模式選擇工具： Selection Mode:普通光標選擇模式。Component Mode:元件選取模式。Junction Dot Mode:放置連接點。Wire Label Mode:網絡標號放置模式。Text Script Mode:腳本放置模式。Buses Mode:繪制總線模式。Subcircuit Mode:子電路繪制模式。453配件工具： Terminals Mode：終端對象選擇模式。Device Pins Mode：器件引腳繪制工具。Graph Mode：仿真圖表工具箱，對象選擇列出各種仿真分析所需的圖表。Tape Record

9、er Mode：錄音機工具，對設計電路分割仿真時采用此模式。Generator Mode：信號發生器工具箱，對象選擇列出各種激勵源。Voltage Probe Mode：電壓探針，可顯示各探針處的電壓值。Current Probe Mode：電流探針，可顯示各探針處的電流值。Virtual Instruments Mode：虛擬儀器工具箱，對象選擇列出各種虛擬儀器。4542D圖形工具： 2D Graphics Line Mode：繪制各種直線。2D Graphics Box Mode：繪制各種方框。2D Graphies Circle Mode：繪制各種圓形。2D Graphics Arc M

10、ode：繪制各種圓弧。2D Graphics Closed Path Mode：繪制各種多邊形。2D Graphics Text Mode：繪制各種文本。2D Graphics Symbols Mode:繪制符號。2D Graphics Markers Mode:繪制坐標原點。455方向工具： Rotate Clockwise:順時針旋轉90o。Rotate Anti-Clockwise:逆時針旋轉90o。X-Mirror:水平翻轉。Y-Mirror:垂直翻轉。456仿真工具欄： Play:運行。Step:單步運行。Pause:暫停。Stop:停止。457Proteus ISIS原理圖編輯（1

11、）新建設計并存儲文件打開Proteus ISIS界面，選擇File-New Design或者單擊標準工具欄上的 圖標新建一個設計文件，然后按照自行定義名稱及路徑將文件存儲到磁盤上。Proteus軟件存儲的文件后綴是DSN。（2）選取元件單擊元件列表上的按鈕 或者直接按鍵盤P鍵，就會彈出元件選擇窗口（Pick Devices）。另外的一種選擇元器件的方法是在Kewords編輯框中輸入所需元件的型號等關鍵內容，Proteus會自動在元件庫中搜索，并在Results窗口中顯示與關鍵詞相匹配的元件名稱及相關參數描述信息。458Proteus ISIS原理圖編輯（3）放置元件在元件列表窗口中，單擊要放置

12、的元器件，在編輯窗口中單擊一下，此時鼠標處有一個紅色的元器件虛影跟隨鼠標移動，在合適的位置再單擊一下鼠標左鍵，就可以放置一個元器件，單擊右鍵或按Esc鍵可以取消元件的放置。459Proteus ISIS原理圖編輯（4）選中元件用鼠標左鍵單擊元件可以選中元件。該操作將使元件呈高亮顯示。選中元件后可以對其進行編輯等操作。選中元件時該元件上所有垂連線全部被選中。對于活動的器件，如開關Button等，如要選中可單擊鼠標左鍵，拖出一個框，并將該元器件全部框住，便可選中。要選中一組元件，可以通過按下Ctrl鍵，然后依次選中要選擇的元件。也可以通過左鍵拖出一個框的方式，但只有完全位于框內的元件才能被選中。4

13、60Proteus ISIS原理圖編輯（5）刪除元件用鼠標選中元件后，可以按Delete鍵刪除元件；或者在要刪除的對象上單擊鼠標右鍵，在彈出的下拉式菜單中選擇Delete Object選項；或者在元件上連續雙擊右鍵即可刪除元件。（6）調整元件方向根據電路設計的要求，元件的方向往往需要進行旋轉設置。旋轉元件可選擇在元件放置到圖形編輯窗口前進行，也可以在放置到圖形編輯窗口后再進行。461Proteus ISIS原理圖編輯（7）編輯元件用鼠標雙擊對象，彈出編輯對話框，可以通過對話框對對象屬性進行編輯。在元器件比較集中的地方，可以將鼠標移至對象上方，然后按Ctrl+E快捷鍵，打開Edit Compon

14、ent對話框，或者將鼠標移到對象上方，單擊右鍵，在彈出的下拉菜單中選擇Edit Properties選項。462Proteus ISIS原理圖編輯（8）編輯網絡標簽元件、端點和連線都可以像元件一樣進行編輯操作。使用網絡標號，對應的網絡標號之間是相互連接的。原理圖中的導線具有電氣連接意義。在產生網絡表時，Proteus是根據導線或網絡標號的連接完成的。原理圖中的總線不具有電氣特性，總線的作用在于提示、指引用戶快速找到導線中相應網絡標號的位置。463Proteus ISIS原理圖編輯（9）電氣規則檢查當電路原理圖繪制完成，需要進行電氣規則檢查，選擇Tools菜單-Electrical Rule C

15、heck，Proteus會對原理圖進行電氣規則檢查并給出檢查報告，包括設計文件名稱、存放路徑、版本號、作者、創建時間、修改時間、電氣規則錯誤提示信息等，設計人員應該根據提示信息對電路原理圖進行修改，直至無錯誤信息。464Proteus ISIS單片機系統仿真過程（1）在ISIS平臺上進行單片機系統電路設計、選擇元器件、接插件、連接電路并進行電氣規則檢查等。（2）利用第三方開發工具或ISIS提供的編輯環境進行單片機應用系統源程序設計、編輯、編譯、代碼級調試并生成目標代碼文件（*.hex）。（3）在ISIS平臺上將目標代碼文件加載到單片機系統中，并實現單片機系統的實時交互、協同仿真。ISIS仿真在

16、相當程度上反映了實際單片機系統的運行情況。465Proteus與Keil聯合調試軟硬件聯合仿真系統由一個硬件執行環境和一個軟件執行環境組成，通常軟件環境和硬件環境都有自己的除錯和控制界面，Keil與Proteus的整合調試可以實現系統的總調，在該系統中，Keil作為軟件調試界面，Proteus作為硬件仿真和調試界面，在keil中調用Proteus進行MCU外圍器件的仿真步驟如下：466Proteus與Keil聯合調試1.正確安裝安裝Keil uVision4 與 Proteus.2.安裝vdmagdi插件，該插件可實現與Keil的聯調，需要注意的是安裝vdmagdi插件時要正確選擇Keil的安

17、裝路徑。3.打開Proteus，畫出電路原理圖，在Proteus的debug菜單中選中use remote debug monitor。4.在Keil軟件中編寫MCU的程序，在Keil軟件上單擊Project-Options for Target選項。默認的Debug設置為Use Simulator，現在需要修改設置。在右欄上部的下拉菜單里選中“Proteus VSM Simulator”。4679.3 Proteus應用實例9.3.1 花樣流水燈設計設計任務及思路本設計任務要求設計一個8位流水燈，彩燈點亮過程如下：第一輪顯示時，首先點亮左側一個彩燈，然后點亮第2個，第3個，直到第8個，從而完

18、成一次由左至右點亮的過程，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；第二輪顯示時，首先點亮左側2個燈，然后點亮第2、3兩個，然后3、4兩個，直到最右側兩個燈點亮移出，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；第三輪顯示時，首先點亮左側3個燈，然后點亮2、3、4三個燈，然后3、4、5三個，直到最右側三個燈點亮移出，然后所有的燈全亮，再全部熄滅；三輪過后，返回第一輪顯示并且循環下去。468硬件設計本設計硬件電路比較簡單，主要由單片機和LED顯示電路組成。單片機P1口引腳經反向驅動器接LED的負極，LED正極通過限流電阻接到電源上。當需要點亮某個彩燈時，應使與之連接的單片機引腳輸出高電平，硬件原理圖如圖9.3.1所示。46

19、9470程序設計471仿真調試按照9.2.6介紹的方法，在Keil C中建立工程，輸入程序，進行編譯、連接；在Proteus軟件中雙擊AT89C51單片機，在彈出的屬性編輯框中為單片機加載.Hex程序，在Keil軟件中選擇DebugStart Debug啟動Keil與Proteus的聯調，我們可以把Keil軟件和Proteus軟件的界面拖動到合適大小以方便調試工作，如圖9.3.5所示。4724739.3.2 交通燈控制系統設計設計任務及思路道路路口有很多種類型，如丁字路口、十字路口燈。相應的，交通燈有3方向控制、4方向控制燈類型，本書介紹一種4方向交通控制系統的設計，設計任務如下：十字路口按方

20、位可以分為東、南、西、北四個方向，每一個方向上，對于車輛而言，有直行、左轉、右轉三種通行方式；而對于行人而言，只有通行或不能通行兩種情況。474硬件設計（1）總體方案設計根據以上的設計任務與思路分析可知，此交通燈控制系統應包含有單片機、交通指示燈、數字顯示器、按鍵等幾個部分，系統框圖如圖9.3.6所示。475（2）單片機電路設計在本書中，單片機采用Atmel公司的AT89C51進行仿真設計。由于交通燈控制系統中有車輛指示燈、行人指示燈、通行時間顯示器以及設置按鍵燈控制對象，因此，單片機設計時，應合理考慮各控制對象的引腳分配。本書利用P1口和P3口連接交通指示燈，P0口和P2口引腳連接控制通行時

21、間顯示器，P2口的部分引腳連接設置按鍵。476AT89C51引腳分配表引腳連接設備說明P1.4左轉指示燈南北P1.5直行指示燈南北P1.6黃燈南北P3.0通行指示燈南北人行道P1.3等待指示燈南北人行道P1.0左轉指示燈東西P1.1直行指示燈東西P1.2黃燈東西P3.1通行指示燈東西人行道P1.7等待指示燈東西人行道P0LED數據總線P2.0P2.5LED位選信號P2.6P2.7按鍵鍵盤477（3）交通燈電路設計交通指示燈有車輛指示燈與行人指示燈兩類，顏色有紅色、綠色和黃色三種。仿真設計采用發光二極管作為指示燈。每一種指示燈僅一個控制信號，因此，單片機的控制信號一端接綠燈，再通過反相器接紅燈，

22、可方便實現該種（左轉或直行）指示燈紅燈與綠燈的轉換。478（4）通行時間顯示電路設計目前實際使用的交通燈控制系統中通行時間一般都是兩位數字，即顯示的數據都是099以內，因此，本設計中采用了2位七段數碼管來完成顯示功能。這里采用的是兩位一體的共陰極七段數碼管。單片機P0口作為數碼管顯示數據基本輸出通道，P0.0P0.7分別連接到數碼管的七個字段位a、b、c、d、e、f、g、dp。P2.0P2.5引腳作為數碼管顯示電路的位選信號。479P2.0P2.5引腳作為數碼管顯示電路的位選信號。其中P2.0、P2.1分別控制南北方向通行時間顯示數碼管的十位和個位選通口，P2.2、P2.3分別控制東西方向通行

23、時間顯示數碼管的十位和個位選通口。系統還提供了一個擴展的數碼管顯示器，使用P2.4和P2.5作為位選信號，配合按鍵電路可擴展系統功能，例如設置和調整系統通行時間。480軟件設計（1）系統功能分析能以兩位數顯示4個方向的通行時間，并可通過按鍵調整通行時間；通行時間分兩段顯示，一段為左轉通行時間，一段為直行通行時間，且顯示的時間以倒數方式進行；在通行指示燈工作時，顯示器能正確顯示各段通行剩余時間；南北方向的顯示情況相同，東西方向的顯示情況相同；481當南北方向通行時，東西方向應當亮紅燈，同理東西方向通行時，南北方向亮紅燈，當由南北通行變為東西通行或者東西通行變為南北通行時，黃燈指示燈亮；南北方向先

24、左轉指示燈亮綠燈，然后左轉指示燈亮紅燈，直行指示燈亮綠燈，同時人行道亮綠燈，之后直行指示燈人行道指示燈亮紅燈，南北方向黃燈亮，之后變為東西方向通行。482（2）程序流程系統程序包括主程序、通行時間顯示中斷服務程序、通行指示燈任務處理程序、按鍵處理程序等。483系統調試在Proteus中完成電路原理圖設計，在Keil軟件中輸入系統程序，編譯后生成.hex文件，然后在Proteus中加載進行聯合調試。系統仿真如圖。4849.3.3數字電壓表設計1.設計任務本設計任務要求測量8路05V的直流電壓，并在四位LED數碼管上輪流顯示各路電壓的測量值，其中第一位LED數碼管顯示路數，后三位顯示測量電壓，顯示范圍為0.00V5.00V。8路用數字表示分別為07，測量誤差為0.02V。4852.硬件設計（1）總體方案設計根據以上的設計任務與思路分析可知，此直流電壓表系統應包含有單片機、A/D轉換電路、4位LED顯示器等，系統框圖如圖9.3.15所示。486（2）單片機電路設計單片機采用Atmel公司的AT89C51進行仿