基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真课件.ppt

1、PROTEUS应用应用专题研讨专题研讨内容提要内容提要S PROTEUSPROTEUS简介简介S PROTEUS ISISPROTEUS ISISS 原理图输入原理图输入S 电路仿真与分析电路仿真与分析S 人性化测量方法人性化测量方法S 高级电路设计与仿真高级电路设计与仿真S 微处理器系统仿真微处理器系统仿真S 微处理器系统仿真概述微处理器系统仿真概述S 微处理器系统仿真与分析微处理器系统仿真与分析S 第三方工具的应用第三方工具的应用S PROTEUSPROTEUS与与KeilKeil整合构建单片机虚拟实验室整合构建单片机虚拟实验室 S PROTEUSPROTEUS综合应用综合应用PROTEU

2、S构成构成nProteus 是一个完是一个完整的嵌入式系统软、整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。硬件设计仿真平台。 nISIS为功能强大的为功能强大的原理布线工具。原理布线工具。nARES PCB设计为设计为一一PCB设计系统。设计系统。布线布线/编辑编辑ARES处理器处理器仿真模型仿真模型VSM高级图形高级图形分析模块分析模块动态动态器件库器件库混合模型混合模型仿真器仿真器原理图输入原理图输入系统系统ISISPROTEUSISIS 智能原理图输入流程智能原理图输入流程设置编辑环境：用户可自定义设置编辑环境：用户可自定义 图形外观，包括线宽、填充类图形外观，包括线宽、填充类 型、字符等。型、

3、字符等。原理图连线：点击元件引脚或原理图连线：点击元件引脚或 者先前连好的线，就能实现连者先前连好的线，就能实现连 线；也可使用自动连线工具连线；也可使用自动连线工具连 线；线；建立网络表：网络表是电路板建立网络表：网络表是电路板 与电路原理图之间的纽带。建与电路原理图之间的纽带。建 立的网表用于立的网表用于PCB制板。制板。报表输出：材料报表、报表输出：材料报表、ERC报报 表等。表等。开始开始新建设计文档新建设计文档设置编辑环境设置编辑环境放置元器件放置元器件原理图连线原理图连线建立网络表建立网络表电气规则检查电气规则检查存盘、报表输出存盘、报表输出结束结束调整调整是否合格是否合格NY74

4、1放大器电路放大器电路PTOTEUS VS仿真与分析仿真与分析R PROTEUS VSMPROTEUS VSM中的整个电路分析是在中的整个电路分析是在ISISISIS原理图设计模块下原理图设计模块下延续下来的，原理图中包含：延续下来的，原理图中包含：R 直接布置在线路上的探针；直接布置在线路上的探针；R 电路激励；电路激励；R 虚拟仪器；虚拟仪器；R 曲线图表。曲线图表。详细内容详细内容R 任何时候都能通过按下运行按钮或空格对电路进行仿真。任何时候都能通过按下运行按钮或空格对电路进行仿真。R PROTEUS VSMPROTEUS VSM有两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基有两种截然不同的仿

5、真方式：交互式仿真和基于图表的仿真。于图表的仿真。R 交互式仿真检验用户所设计的电路是否能正常工作交互式仿真检验用户所设计的电路是否能正常工作交互式仿真图交互式仿真图R 基于图表的仿真用来研究电路的工作状态和进行细节的基于图表的仿真用来研究电路的工作状态和进行细节的测量测量基于图表的仿真基于图表的仿真R PROTEUS VSMPROTEUS VSM中的人性化测量中的人性化测量探针探针n电压探针（电压探针（Voltage probes） -即可在模拟仿真中即可在模拟仿真中使用，也可在数字仿真中使用。在模拟电路中记录使用，也可在数字仿真中使用。在模拟电路中记录真实的电压值，而在数字电路中，记录逻辑

6、电平及真实的电压值，而在数字电路中，记录逻辑电平及其强度。其强度。 n电流探针（电流探针（Current probes） - 仅可在模拟电路中仅可在模拟电路中使用，并可显示电流方向。使用，并可显示电流方向。 n探针既可用于基于图表的仿真，也可用于交互式仿探针既可用于基于图表的仿真，也可用于交互式仿真中真中 激励源激励源nDCDC：直流电压源；nSineSine：幅值、频率、相位可控的正弦波发生器。nPulsePulse：幅值、周期和上升/下降沿时间可控的模拟脉冲发生器。nExpExp：指数脉冲发生器。nSFFMSFFM：单频率调频波信号发生器。nPwlinPwlin：任意分段线性脉冲、信号发生

7、器。nFileFile：File信号发生器。数据来源于ASCII文件。nAudioAudio：音频信号发生器。nDStateDState：稳态逻辑电平发生器。nDEdgeDEdge：单边沿信号发生器。nDPulseDPulse：单周期数字脉冲发生器。nDClockDClock：数字时钟信号发生器。nDPatternDPattern：模式信号发生器。模拟脉冲激励源模拟脉冲激励源 n用于为仿真分析产生各种周期用于为仿真分析产生各种周期输入信号，包括方波、锯齿波、输入信号，包括方波、锯齿波、三角波及单周期短脉冲。三角波及单周期短脉冲。 模拟脉冲模拟脉冲信号输出信号输出指数脉冲激励源指数脉冲激励源 n

8、产生与产生与RC充电充电/放电电路相同放电电路相同的脉冲波。的脉冲波。 指数指数信号输出信号输出单频率调频波激励源单频率调频波激励源 调频波调频波信号输出信号输出Pwlin信号激励源信号激励源 n任意分段线性脉冲、任意分段线性脉冲、信号发生器信号发生器。Pwlin信号输出信号输出File信号激励源信号激励源 n发生器的数据来源于发生器的数据来源于ASCII文件。文件。 .BAK文件文件信号输出信号输出音频信号激励源音频信号激励源 n使用使用Windows WAV 文件作为输入文件。结合音频分析图表，文件作为输入文件。结合音频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的声音。可以听到电路对音频信号处

9、理后的声音。 音频信号音频信号输出输出单周期数字单周期数字脉冲激励源脉冲激励源 数字脉冲数字脉冲信号输出信号输出数字时钟数字时钟信号激励源信号激励源 数字时钟数字时钟信号输出信号输出数字模式信号激励源数字模式信号激励源 数字模式数字模式信号输出信号输出虚拟仪器虚拟仪器n虚拟示波器虚拟示波器(OSCILLOSCOPE)(OSCILLOSCOPE)n逻辑分析仪逻辑分析仪(LOGIC ANALYSER)(LOGIC ANALYSER)n定定时计数器时计数器(COUNTER TIMER)(COUNTER TIMER)n虚拟终端虚拟终端(VIRUAL TERMINAL)(VIRUAL TERMINAL)

10、nSPISPI调试器调试器(SPI DEBUGGER)(SPI DEBUGGER)nI2CI2C调试器调试器(I2C DEBUGGER)(I2C DEBUGGER)n信号发生器信号发生器(SIGNAL GENERATOR)(SIGNAL GENERATOR)n模式发生器模式发生器(PATTERN GENERATOR)(PATTERN GENERATOR)n电压表和电流表（电压表和电流表（AC/DC voltmeters/ammetersAC/DC voltmeters/ammeters） 模式发生器模式发生器 模式发生器模式发生器编码信号编码信号调试端口输出调试端口输出模式信号模式信号虚拟终端

11、虚拟终端模式发生器模式发生器编码信号编码信号虚拟终端输出模式信号虚拟终端输出模式信号信号发生器（调幅）信号发生器（调幅）信号源名称补偿电压(V)幅值(V)频率(Hz)时延() （A）011K0正弦信号正弦信号参数参数调幅信号调幅信号输出输出信号发生器信号发生器参数设置参数设置曲线图表曲线图表n模拟图表（ANALOGUE）n数字图表 (DIGITAL)n混合分析图表 (MIXED)n频率分析图表 (FREQUENCY)n转移特性分析图表 (TRANSFER)n噪声分析图表 (NOISE)n失真分析图表 (DISTORTION)n傅立叶分析图表 (FOURIER)n音频分析图表 (AUDIO)n交

12、互分析图表 (INTERACTIVE)n一致性分析图表 (CONFORMANCE)n直流扫描分析图表 (DC SWEEP)n交流扫描分析图表 (AC SWEEP) n基于转移特性分析图基于转移特性分析图表的电路分析表的电路分析 n数字分析图表数字分析图表:用于绘用于绘制逻辑电平值随时间制逻辑电平值随时间变化的曲线，图表中变化的曲线，图表中的波形代表单一数据的波形代表单一数据位或总线的二进制电位或总线的二进制电平值平值 .n混合分析图混合分析图表表:可以在同可以在同一图表中同一图表中同时显示模拟时显示模拟和数字信号和数字信号的波形的波形. n直流扫描分析直流扫描分析:可以观察电路可以观察电路元件

13、参数值在用户定义范围内元件参数值在用户定义范围内发生变化时，对电路工作状态发生变化时，对电路工作状态（电压或电流）的影响（如观（电压或电流）的影响（如观察电阻值、晶体管放大倍数、察电阻值、晶体管放大倍数、电路工作温度等参数变化对电电路工作温度等参数变化对电路工作状态的影响）。路工作状态的影响）。n也可以通过扫描激励元件参数也可以通过扫描激励元件参数值实现直流传输特性的测量。值实现直流传输特性的测量。 n交流扫描分析可以建立一组反交流扫描分析可以建立一组反映元件在参数值发生线性变化映元件在参数值发生线性变化时的频率特性曲线。主要用来时的频率特性曲线。主要用来观测相关元件参数值发生变化观测相关元件

14、参数值发生变化时对电路频率特性的影响。时对电路频率特性的影响。 交互式仿真（交互式仿真（741放大电路）放大电路）n交互式电路仿真是电路分析的一个最重要的交互式电路仿真是电路分析的一个最重要的部分。输入原理图后，通过在期望的观测点部分。输入原理图后，通过在期望的观测点放置电流放置电流/电压探针，或虚拟仪器，点击运行电压探针，或虚拟仪器，点击运行按钮，即可观测到电路的实时输出。按钮，即可观测到电路的实时输出。基于图表的电路仿真与分析（基于图表的电路仿真与分析（741放大电路）放大电路）频率分析：用于绘制小信号电压增益或电频率分析：用于绘制小信号电压增益或电流增益随频率变化的曲线，即绘制波特图。流

15、增益随频率变化的曲线，即绘制波特图。可描绘电路的幅频特性和相频特性。可描绘电路的幅频特性和相频特性。 模拟分析模拟分析:用于绘制一条或多条电压或电流用于绘制一条或多条电压或电流随时间变化的曲线。随时间变化的曲线。基于图表的电路仿真与分析（基于图表的电路仿真与分析（741放大电路）放大电路）失真分析用于确定由测试电路所引起的电平失真分析用于确定由测试电路所引起的电平失真的程度，失真分析图表用于显示随频率失真的程度，失真分析图表用于显示随频率变化的二次和三次谐波失真电平。变化的二次和三次谐波失真电平。 噪声分析：显示随时间变化的输入、输出噪噪声分析：显示随时间变化的输入、输出噪声电压；可产生单个元

16、件的噪声电压清单。声电压；可产生单个元件的噪声电压清单。 人性化测量方法人性化测量方法利用不同颜色电路连线显示相应电压利用不同颜色电路连线显示相应电压利用箭头显示电流方向利用箭头显示电流方向 探针实时显示探针实时显示电压电压/电流值电流值暂停时，使用暂停时，使用Virtual Instruments按钮，可显示元件参数信息按钮，可显示元件参数信息 高级电路设计高级电路设计子电路及模块电路子电路及模块电路n在电路设计中，建立子电路，或模块电路均可实现电路的层次化。n特殊元件通过电路图表表示为模块。能够任意设定层次，将模块像标准元件或可设置或切除的界面断口所在的特殊子电路块一样绘制出来。子电路子电

17、路 模块电路模块电路子电路子电路F1电路原理图电路原理图模块电路模块电路VCO1电路原理图电路原理图子电路或模块电路均通过端口名称与主电路连接子电路或模块电路均通过端口名称与主电路连接PROTEUS微处理器系统仿真微处理器系统仿真n在基于微处理器系统的设计中，即使没有物理原型，在基于微处理器系统的设计中，即使没有物理原型，Proteus VSMProteus VSM也能够进行软件开发。也能够进行软件开发。n模型库中包含模型库中包含LCDLCD显示、键盘、按钮、开关等通用外围设显示、键盘、按钮、开关等通用外围设备。同时，提供的备。同时，提供的CPUCPU模型有模型有ARM7ARM7、PICPIC

18、、Atmel AVRAtmel AVR、Motorola HCXXMotorola HCXX以及以及8051/80528051/8052系列。系列。 n单片机系统的仿真是单片机系统的仿真是PROTEUS VSMPROTEUS VSM的一大特色。同时，本的一大特色。同时，本仿真系统将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，仿真系统将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，这样使得用户可以在设计中直接编辑代码，并可容易的查这样使得用户可以在设计中直接编辑代码，并可容易的查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响。看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响。nVSMVSM甚至能仿真多个甚至能仿真多个CPU

19、CPU，它能便利处理两个或以上微控制，它能便利处理两个或以上微控制器的联结与设计。器的联结与设计。 微处理器系统仿真与分析微处理器系统仿真与分析原理图输入原理图输入ISIS支持总线结构支持总线结构Proteus VSM能把微处理器和连接该微能把微处理器和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真处理器的任何模拟和数字器件协同仿真微处理器系统仿真与分微处理器系统仿真与分析析建立源代码文件建立源代码文件选择代码生成工具选择代码生成工具建立新的源代码文件建立新的源代码文件定义新的源代码文件名称定义新的源代码文件名称微处理器系统仿真与分析微处理器系统仿真与分析源代码文件与单片机的链接源代码文件与单片机

20、的链接源代码编辑源代码编辑源代码编译、链接源代码编译、链接使用使用.HEX文件实现源文件实现源程序与单片机的链接程序与单片机的链接微处理器系统仿真与分析微处理器系统仿真与分析交互式仿真交互式仿真实时显示系统输出结果实时显示系统输出结果 实时显示元器件实时显示元器件 引脚电平引脚电平微处理器系统仿真与分析微处理器系统仿真与分析弹出式窗口弹出式窗口源代码窗口：提供了四种程序执行命令按钮源代码窗口：提供了四种程序执行命令按钮 程序调试断点程序调试断点处理器程序计数器的当前位置处理器程序计数器的当前位置 内部数据存储器窗口内部数据存储器窗口SFR存储器窗口存储器窗口CPU寄存器窗口寄存器窗口观测窗口观

21、测窗口第三方工具的应用第三方工具的应用n第三方代码生成工具第三方代码生成工具 : Proteus许多共享汇编软件许多共享汇编软件 或编译器可从系统或编译器可从系统CD上安上安 装到装到Proteus TOOLS目录下，目录下， 并且会被自动作为并且会被自动作为Proteus的的 代码生成工具。代码生成工具。 n第三方源代码编辑器第三方源代码编辑器 :PROTEUS VSM 提供了一个简明的源代码文本提供了一个简明的源代码文本编辑器编辑器SRCEDIT ,用户还可使用第三方源代码编辑器，如用户还可使用第三方源代码编辑器，如UltraEdit 。n第三方第三方IDE ：用户可使用第三方：用户可使用

22、第三方IDE，如，如IARs Embedded Workbench、 Keils uVision 2、Microchips MP-LAB和和Atmels AVR studio开发源代码，并进行编辑，生成可执行文件（如开发源代码，并进行编辑，生成可执行文件（如HEX或或COD文件）后切换到文件）后切换到Proteus VSM ，然后进行仿真，然后进行仿真。 PROTEUSPROTEUS与与KeilKeil整合构建单片机虚拟实验室整合构建单片机虚拟实验室PROTEUS特点：特点：RProteus软件提供了数千种元器件和多达软件提供了数千种元器件和多达30多个元件库。多个元件库。R在在Proteus

23、软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。R除了现实存在的仪器外，除了现实存在的仪器外，Proteus还可以以图形的方式实时地显示线还可以以图形的方式实时地显示线路上变化的信号。路上变化的信号。R虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，可减少仪器对测量结果的影响。虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，可减少仪器对测量结果的影响。RProteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。包括模拟信号和数字信号。KeilKeil特点：特点：R全功能的源代码编辑器；全

24、功能的源代码编辑器；R器件库用来配置开发工具设置；器件库用来配置开发工具设置；R项目管理器用来创建和维护用户的项目；项目管理器用来创建和维护用户的项目；R集成的集成的MAKEMAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；R所有开发工具的设置都是对话框形式的；所有开发工具的设置都是对话框形式的；R真正的源代码级的对真正的源代码级的对CPUCPU和外围器件的调试器；和外围器件的调试器；R高级高级GDIGDI（AGDIAGDI）接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和）接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51Monitor-51进行通信；进行

25、通信；PROTEUS与与Keil联调联调Keil处于运行状态处于运行状态PROTEUS同时同时进入运行状态进入运行状态PROTEUSPROTEUS综合应用综合应用11基于基于AT89C52AT89C52的模糊控制算法的温控仪设计的模糊控制算法的温控仪设计n采用采用Pt100Pt100温度传感器，测温范围温度传感器，测温范围0-1000-100；n系统可设定温度值；系统可设定温度值；n设定温度值与测量温度值可实时显示；设定温度值与测量温度值可实时显示；n控温精度：控温精度：0.50.5。系统结构图如图所示：。系统结构图如图所示：设定输入设定输入单片机单片机LEDLED显示显示控制输出控制输出双向

26、可双向可控硅控硅继电器继电器控制控制对象对象风扇风扇信号调信号调理电路理电路A/DA/D采集采集电路电路加热丝加热丝传感器传感器铂电阻测温调理电路铂电阻测温调理电路 A/D接口电路接口电路 显显示示电电路路控控制制电电路路 系统总图系统总图仿真结果仿真结果 输出控制信号占空比输出控制信号占空比n设定温度为设定温度为55、实际温度为、实际温度为54时，系统输出的功率信号时，系统输出的功率信号 n设定温度为设定温度为55、实际温度为、实际温度为53时，系统输出的功率信号时，系统输出的功率信号 输出控制信号占空比输出控制信号占空比n设定温度为设定温度为55、实际温度为、实际温度为40时，系统输出的功

27、率信号时，系统输出的功率信号 PROTEUSPROTEUS综合应用综合应用22基于基于AT90S8515的频率测量系统的设计的频率测量系统的设计 nHS1101HS1101组成的频率发生电路组成的频率发生电路；nAT90S8515AT90S8515频率测量频率测量；n采用串行通信方式，将频率值传输到计算机。采用串行通信方式，将频率值传输到计算机。n系统结构如图所示：系统结构如图所示： HS1101频率发生频率发生电路电路AVR单单片片机机MAX232电平转电路电平转电路计计算算机机RS232HS1101构建的构建的频率发生电路频率发生电路 HS1101构建的频率发生构建的频率发生电路的输出结果图电路的输出结果图测频电路总图测频电路总图系统仿真结果图系统仿真结果图其它方面的应用其它方面的应用n在教学中的应用在教学中的应用n在学生课程设计及毕业设计中的应用在学生课程设计及毕业设计中的应用n在科研中的应用在科研中的应用详细内容参见详细内容参见:基于基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真的单片机系统设计与仿真 -北航出版社北航出版社 2006年年4月下旬正式出版月下旬正式出版