电子设计竞赛培训讲座.ppt

虚拟单片机实验室的构建 电子设计竞赛培训讲座 主讲人 李进单位 青岛科技大学 前言 在电子设计竞赛培训中 所遇到的最大困难是动手能力的培训 虽然有各种实验板 实验箱 但都不能满足千变万化的设计要求 而且也不能满足学生的要求 如何能使设计的方案尽快 尽量省钱的看到结果 是我们一直追求的目标 为此 我们构建虚拟单片机实验室 随时随地都可以方便的进行单片机实验 Proteus软件介绍 Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是由英国Labcenter公司开发 授权我国风标公司为中国大陆的总代理 是目前世界上最先进 最完整的嵌入式系统设计与仿真平台 PROTEUS可以实现数字电路 模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真 软件仿真 系统协同仿真和PCB设计等全部功能 PROTEUS软件包已有近20年的使用历史 在全球拥有庞大的企业用户群 是目前惟一能够对各种处理器进行实时仿真 调试与测试的EDA工具 真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试 测试与验证 PROTEUS软件包大大提高了企业的开发效率 降低了开发风险 由于PROTEUS软件包逼真 真实的协同仿真功能 得到了包括剑桥在内的众多大学用户 作为电子学或嵌入式系统的课程教学 实验和水平考试平台 Labcenter公司为支持大学进行电子系统的教学 特别推出了大学优惠计划 充分降低教育机构使用PROTEUS软件包用于组建实验室或培训室的门槛 内容提要 PROTEUS简介PROTEUSISIS原理图输入电路仿真与分析人性化测量方法高级电路设计与仿真微处理器系统仿真微处理器系统仿真概述微处理器系统仿真与分析第三方工具的应用PROTEUS与Keil整合构建单片机虚拟实验室PROTEUS综合应用 PROTEUS构成 Proteus是一个完整的嵌入式系统软 硬件设计仿真平台 ISIS为功能强大的原理布线工具 ARESPCB设计为一PCB设计系统 ISIS智能原理图输入流程 设置编辑环境 用户可自定义图形外观 包括线宽 填充类型 字符等 原理图连线 点击元件引脚或者先前连好的线 就能实现连线 也可使用自动连线工具连线 建立网络表 网络表是电路板与电路原理图之间的纽带 建立的网表用于PCB制板 报表输出 材料报表 ERC报表等 741放大器电路 PTOTEUSVS仿真与分析 PROTEUSVSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的 原理图中包含 直接布置在线路上的探针 电路激励 虚拟仪器 曲线图表 详细内容任何时候都能通过按下运行按钮或空格对电路进行仿真 PROTEUSVSM有两种截然不同的仿真方式 交互式仿真和基于图表的仿真 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 基于图表的仿真PROTEUSVSM中的人性化测量 探针 电压探针 Voltageprobes 即可在模拟仿真中使用 也可在数字仿真中使用 在模拟电路中记录真实的电压值 而在数字电路中 记录逻辑电平及其强度 电流探针 Currentprobes 仅可在模拟电路中使用 并可显示电流方向 探针既可用于基于图表的仿真 也可用于交互式仿真中 激励源 DC 直流电压源 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 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 模拟脉冲激励源 用于为仿真分析产生各种周期输入信号 包括方波 锯齿波 三角波及单周期短脉冲 模拟脉冲信号输出 指数脉冲激励源 产生与RC充电 放电电路相同的脉冲波 指数信号输出 单频率调频波激励源 调频波信号输出 Pwlin信号激励源 任意分段线性脉冲 信号发生器 Pwlin信号输出 File信号激励源 发生器的数据来源于ASCII文件 BAK文件信号输出 音频信号激励源 使用WindowsWAV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 音频信号输出 单周期数字脉冲激励源 数字脉冲信号输出 数字时钟信号激励源 数字时钟信号输出 数字模式信号激励源 数字模式信号输出 虚拟仪器 虚拟示波器 OSCILLOSCOPE 逻辑分析仪 LOGICANALYSER 定时计数器 COUNTERTIMER 虚拟终端 VIRUALTERMINAL SPI调试器 SPIDEBUGGER I2C调试器 I2CDEBUGGER 信号发生器 SIGNALGENERATOR 模式发生器 PATTERNGENERATOR 电压表和电流表 AC DCvoltmeters ammeters 模式发生器 模式发生器编码信号 调试端口输出模式信号 虚拟终端 模式发生器编码信号 虚拟终端输出模式信号 信号发生器 调幅 正弦信号参数 调幅信号输出 信号发生器参数设置 曲线图表 模拟图表 ANALOGUE 数字图表 DIGITAL 混合分析图表 MIXED 频率分析图表 FREQUENCY 转移特性分析图表 TRANSFER 噪声分析图表 NOISE 失真分析图表 DISTORTION 傅立叶分析图表 FOURIER 音频分析图表 AUDIO 交互分析图表 INTERACTIVE 一致性分析图表 CONFORMANCE 直流扫描分析图表 DCSWEEP 交流扫描分析图表 ACSWEEP 基于转移特性分析图表的电路分析 数字分析图表 用于绘制逻辑电平值随时间变化的曲线 图表中的波形代表单一数据位或总线的二进制电平值 混合分析图表 可以在同一图表中同时显示模拟和数字信号的波形 直流扫描分析 可以观察电路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 电压或电流 的影响 如观察电阻值 晶体管放大倍数 电路工作温度等参数变化对电路工作状态的影响 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 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时对电路频率特性的影响 交互式仿真 741放大电路 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放置电流 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 基于图表的电路仿真与分析 741放大电路 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 可描绘电路的幅频特性和相频特性 模拟分析 用于绘制一条或多条电压或电流随时间变化的曲线 基于图表的电路仿真与分析 741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 噪声分析 显示随时间变化的输入 输出噪声电压 可产生单个元件的噪声电压清单 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箭头显示电流方向 探针实时显示电压 电流值 暂停时 使用VirtualInstruments按钮 可显示元件参数信息 高级电路设计 子电路及模块电路 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 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 模块电路 子电路F1电路原理图 模块电路VCO1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 PROTEUS微处理器系统仿真 在基于微处理器系统的设计中 即使没有物理原型 ProteusVSM也能够进行软件开发 模型库中包含LCD显示 键盘 按钮 开关等通用外围设备 同时 提供的CPU模型有ARM7 PIC AtmelAVR MotorolaHCXX以及8051 8052系列 单片机系统的仿真是PROTEUSVSM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 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 VSM甚至能仿真多个CPU 它能便利处理两个或以上微控制器的联结与设计 微处理器系统仿真与分析 原理图输入 ISIS支持总线结构 ProteusVSM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 微处理器系统仿真与分析 建立源代码文件 选择代码生成工具 建立新的源代码文件 定义新的源代码文件名称 微处理器系统仿真与分析 源代码文件与单片机的链接 源代码编辑 源代码编译 链接 使用 HEX文件实现源程序与单片机的链接 微处理器系统仿真与分析 交互式仿真 实时显示系统输出结果 实时显示元器件引脚电平 微处理器系统仿真与分析 弹出式窗口 源代码窗口 提供了四种程序执行命令按钮 程序调试断点 处理器程序计数器的当前位置 内部数据存储器窗口 SFR存储器窗口 CPU寄存器窗口 观测窗口 第三方工具的应用 第三方代码生成工具 Proteus许多共享汇编软件或编译器可从系统CD上安装到ProteusTOOLS目录下 并且会被自动作为Proteus的代码生成工具 第三方源代码编辑器 PROTEUSVSM提供了一个简明的源代码文本编辑器SRCEDIT 用户还可使用第三方源代码编辑器 如UltraEdit 第三方IDE 用户可使用第三方IDE 如IAR sEmbeddedWorkbench Keil suVision2 Microchip sMP LAB和Atmel sAVRstudio开发源代码 并进行编辑 生成可执行文件 如HEX或COD文件 后切换到ProteusVSM 然后进行仿真 PROTEUS与Keil整合构建单片机虚拟实验室 PROTEUS特点 Proteus软件提供了数千种元器件和多达30多个元件库 在Proteus软件中 理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用 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路上变化的信号 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 Proteus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 Keil特点 全功能的源代码编辑器 器件库用来配置开发工具设置 项目管理器用来创建和维护用户的项目 集成的MAKE工具可以汇编 编译和连接用户嵌入式应用 所有开发工具的设置都是对话框形式的 真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器 高级GDI AGDI 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor 51进行通信 PROTEUS与Keil联调 Keil处于运行状态 PROTEUS同时进入运行状态 PROTEUS综合应用1 基于AT89C52的模糊控制算法的温控仪设计 采用Pt100温度传感器 测温范围0 100 系统可设定温度值 设定温度值与测量温度值可实时显示 控温精度 0 5 系统结构图如图所示 铂电阻测温调理电路 A D接口电路 显示电路 控制电路 系统总图 仿真结果 输出控制信号占空比 设定温度为55 实际温度为54 时 系统输出的功率信号设定温度为55 实际温度为53 时 系统输出的功率信号 输出控制信号占空比 设定温度为55 实际温度为40 时 系统输出的功率信号 PROTEUS综合应用2 基于AT90S8515的频率测量系统的设计 HS1101组成的频率发生电路 AT90S8515频率测量 采用串行通信方式 将频率值传输到计算机 系统结构如图所示 HS1101构建的频率发生电路 HS1101构建的频率发生电路的输出结果图 测频电路总图 系统仿真结果图 其它方面的应用 在教学中的应用在学生课程设计及毕业设计中的应用在科研中的应用 详细内容参见 基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真 北航出版社2006年4月下旬正式出版 参考书 参考书 以上内容有不当之处 敬请各位同仁指正 青岛科技大学李进2010年7月18日