MCU如何協(xié)同單片機進(jìn)行仿真？

MulTIsim是基于SPICE的電路仿真軟件，SPICE(SimulaTIon Program with Intergrated Circuit Emphasis)是“側重于集成電路的模擬程序”的簡(jiǎn)稱(chēng)，在1975年由加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校開(kāi)發(fā)。在MulTIsim9中，需要另安裝MulTIMCU進(jìn)行單片機仿真。NI(National Instruments) Multisim10 將MuitiMCU稱(chēng)為MCU Module，不需要單獨安裝，可以與Multisim中的SPICE模型電路協(xié)同仿真，支持Intel/Atmel的8051/8052 和 Microchip的 PIC16F84a，典型的外設有RAM和ROM，鍵盤(pán)，圖形和文字LCD，并有完整的調試功能，包括設置斷點(diǎn)，查看寄存器，改寫(xiě)內存等。支持C語(yǔ)言，可以編寫(xiě)頭文件和使用庫，還可以將加載的外部二進(jìn)制文件反匯編。Multisim10下載

這里我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有復位功能的計數器的例子來(lái)說(shuō)明在NI Multisim10中如何進(jìn)行單片機開(kāi)發(fā)以及如何與SPICE模型電路協(xié)同仿真。

MCU(Microcontroller Unit)即單片機是大家都比較熟悉并常用的電子器件，由于其廣泛的應用，所以用單片機設計電路是電子技術(shù)人員必備的技能。對于初學(xué)者，可以先從軟件仿真入手。我們知道利用Proteus軟件可以進(jìn)行單片機的軟件仿真，Multisim同樣也可以。

如果你對Multisim比較熟悉，那一定對里面的安捷倫(Agilent)54622D混合信號示波器等儀器印象很深刻吧，因為它與真實(shí)的儀器面板和操作幾乎完全一樣。Multisim里象這種模仿實(shí)際儀器的還有安捷倫的33120A任意波形函數發(fā)生器和34401A萬(wàn)用表，泰克(Tektronix)的TDS2024四通道示波器。充分利用這些儀器，就好比擁有了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗室，你可以用33120A任意波形函數發(fā)生器給單片機提供輸入信號，用54622D或TDS2024示波器觀(guān)看模擬信號，或用54622D的邏輯分析儀功能查看單片機多個(gè)管腳數字信號的輸出。在下面的例子里我們將用54622D來(lái)觀(guān)察復位信號。

搭建電路設置MCU

建好的電路圖如圖1所示，各器件的名稱(chēng)等信息如附表所示。需要說(shuō)明的是電路圖中的單片機不用連接晶振也可以進(jìn)行仿真，時(shí)鐘頻率(速度)的設置見(jiàn)下文。

附表

搭建電路時(shí)，當將單片機U1放入電路圖中時(shí)，會(huì )出現MCU向導，如圖2所示。第一步，分別輸入工作區路徑和工作區名稱(chēng)。工作區名稱(chēng)任意，這里輸入MCUCosimWS。第二步，如圖3所示，在項目類(lèi)型(Project type)下拉框有兩個(gè)選項：標準(Standard)和加載外部Hex文件(Load External Hex File)，你可以在Keil等環(huán)境下編寫(xiě)匯編和C源程序，然后生成Hex文件，再通過(guò)“加載外部Hex文件”導入。限于篇幅這里選標準(Standard)，接著(zhù)在“編程語(yǔ)言”(Programming language)下拉框里會(huì )有兩個(gè)選項：C和匯編(Assembly)，如果選擇C，則在匯編器/編譯器工具(Assembler/Compiler tool)下拉框會(huì )出現Hi-Tech C51-Lite compiler，我們這里選擇匯編(Assembly)，則出現8051/8052 Metalink assembler。接下來(lái)在項目名稱(chēng)(Project name)里輸入名稱(chēng)，如CosimProject。第三步，如圖4所示，對話(huà)框里有兩個(gè)選項：創(chuàng )建空項目(Create empty project)和添加源文件(Add source file)。選擇添加源文件，點(diǎn)擊完成。保存文件，鍵入M10Cosim作為文件名，然后查看“設計工具箱”(Design Toolbox)，應如圖5所示。

你可能更愿意用C來(lái)編寫(xiě)程序，而不是匯編，或兩個(gè)都用，或還想引入外部Hex文件，這都可以通過(guò)用“MCU代碼管理器”添加MCU項目來(lái)解決。在設計工具箱里右鍵單擊MCUCosimWS，選擇“MCU代碼管理器”(MCU Code Manager)，點(diǎn)擊“新MCU項目”(New MCU Project)按鈕，選擇“項目類(lèi)型”(Project Type)，可以是標準(Standard)或加載外部Hex文件(Load External Hex File)，這里選“標準”，接著(zhù)輸入名稱(chēng)，如Cosim_C_Project，確定后就可以在MCU代碼管理器對話(huà)框里進(jìn)行下一步設置了，可以創(chuàng )建新文件，設置匯編器/編譯器等等。如圖6所示，這時(shí)已經(jīng)多了一個(gè)Cosim_C_Project項目(未添加C代碼源文件)，前面圖標空心的方框說(shuō)明它不是“當前使用的項目”(Active MCU Project)。

編寫(xiě)并編譯MCU源程序

雙擊CosimProject下的main.asm輸入程序，程序清單及注釋如下：

由于匯編器是Metalink assembler，詳細的宏命令等可以參考其用戶(hù)手冊。編寫(xiě)好程序后，選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Build，這里的下拉子菜單可能是“MCU 8051 U2”或“U3”，主要對應電路圖中單片機的符號名稱(chēng)，Build的結果會(huì )輸出到Spreadsheet View中。

運行程序并用示波器觀(guān)察復位過(guò)程

匯編程序編譯通過(guò)后，就可以回到電路圖窗口，點(diǎn)擊工具欄的運行按鈕，這時(shí)在七段數碼管上就應該循環(huán)顯示0到9，如果顯示過(guò)快或過(guò)慢，可以調整源程序中的COUNT_NUM，改變延時(shí)時(shí)間，或雙擊U1，在805x對話(huà)框的Value標簽里設置“時(shí)鐘速度”(Clock Speed)。

電路中為SPICE模型的C1和R1的作用是延長(cháng)復位引腳保持高電平的時(shí)間，避免因復位電壓持續時(shí)間過(guò)短而引起復位失敗。雙擊示波器XSC1，按示波器面板上的POWER鍵，打開(kāi)示波器，點(diǎn)擊工具欄的運行按鈕，這時(shí)調整示波器的電壓和時(shí)間刻度，得到圖7所示的復位引腳電壓的變化，每個(gè)刻度是100μs，高電平持續了大概一個(gè)刻度，可見(jiàn)在加電時(shí)，單片機沒(méi)有立刻運行，有一段延遲，延遲的時(shí)間應該足以使其內部電壓和振蕩都處于穩態(tài)。按下復位鍵S1時(shí)的波形如圖8所示，這時(shí)每個(gè)刻度是50μs，波形平頂的部分是按鍵按下的時(shí)間，大概20μs，之后電壓逐漸降低，當降到約3V時(shí)，7段數碼管開(kāi)始計數，說(shuō)明單片機開(kāi)始工作，由圖8可知復位時(shí)間被延長(cháng)到大概100μs。

其原理是加電瞬間或按鍵按下到松開(kāi)之間，電容無(wú)電荷，兩端電壓為0V，單片機的RST引腳的電壓瞬間被提升到VCC(5V)。加電之后或按鍵松開(kāi)，電容開(kāi)始充電，兩端電壓逐漸增加，電阻的電壓(RST引腳電壓)由5V逐漸降低，因而延長(cháng)了復位引腳保持高電平的時(shí)間。實(shí)際器件對復位持續時(shí)間的要求一般在兩個(gè)機器周期，所以100微秒的復位時(shí)間要求51單片機的晶振頻率不低于0.24MHz。當然一般情況下是根據晶振頻率確定C1和R1的值，這可以根據求解一階微分方程得到其充放電時(shí)間，或參考單片機的用戶(hù)手冊。

調試程序

選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Debug View，可以看到文本區上面有下拉菜單并有兩種選擇，對應反匯編(disassembly)和列表匯編(listing assembly)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，前者是由ROM的內容得到，后者是源文件編譯后的結果。雙擊“設計工具箱”的main.asm，在源文件編輯窗口右鍵單擊語(yǔ)句為“MOVC A，@A+DPTR”的一行，選擇“設置/清除斷點(diǎn)”(Toggle Breakpoint)，在左側會(huì )出現一個(gè)實(shí)心圓，點(diǎn)擊“運行”，程序將停在該行，只不過(guò)是在“調試視圖”(Debug View)的列表匯編窗口下，同時(shí)在實(shí)心圓上多出了一個(gè)黃色箭頭。點(diǎn)擊MCU-》 MCU 8051 U1-》Memory View，打開(kāi)MCU存儲器視圖，在該視圖可以查看特殊函數寄存器(SFR)，內部RAM(IRAM)，內部ROM(IROM)，外部RAM(XRAM)。在SFR表格內觀(guān)察ACC的值，此時(shí)應該為“00”，在IRAM里觀(guān)察地址為21H的值，因為“MOV SP，#20H”語(yǔ)句將21H作為堆棧的第一個(gè)存儲字節的地址，斷點(diǎn)的前一處語(yǔ)句“PUSH ACC”使該字節存儲ACC的值，此時(shí)也為“00”。再點(diǎn)“運行”，程序第二次停在斷點(diǎn)處，觀(guān)察SFR中的ACC和IRAM中的21H，如圖9所示應，兩個(gè)單元格里的值都應為“01”，你還可以雙擊該單元格進(jìn)行修改，該值也正是七段數碼管即將顯示的下一個(gè)數。點(diǎn)擊MCU菜單，可以看到除了設置斷點(diǎn)以外還可單步進(jìn)入(Step into)，遇到函數時(shí)進(jìn)入函數內部;跳過(guò)(Step over)，即不進(jìn)入函數;跳出(Step out)，即跳出函數到調用函數的下一條語(yǔ)句。

結束語(yǔ)

本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的電路介紹了在NI Multisim下如何進(jìn)行SPICE模型(這里主要指C1和R1)和8051 MCU的協(xié)同仿真。NI Multisim10不但有多種編譯和調試功能，還提供了RAM，ROM，鍵盤(pán)，液晶屏等外設，是初學(xué)單片機的理想工具。掌握了基本的硬件結構，匯編指令和調試方法后，讀者可以利用Multisim開(kāi)發(fā)更復雜的系統并仿真，為下一步設計實(shí)際的硬件電路做準備。

說(shuō)明：因為單片機的電流是有限制的，不能太大，否則會(huì )燒毀單片機的。所以應在數碼管的CA端和VCC端之間接一個(gè)限流電阻(100歐姆);或者在單片機與數碼管之間接入一個(gè)排阻(7個(gè))也可以，這樣仿真時(shí)就不會(huì )燒毀單片機了。