基于Proteus軟件的單片機實(shí)驗室建設

　　摘要：在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，單片機的實(shí)驗室建設大多采用硬件仿真器配目標實(shí)驗板方式，不僅需采購大量的硬件設備，而且設備維護工作量也非常巨大。本文提出一種基于軟件仿真的單片機實(shí)驗室建設方案。該方案配置有限的硬件設備，很好地解決了資金和設備維護問(wèn)題；大量的仿真工作是在軟件環(huán)境中實(shí)現，大大增強了實(shí)驗室向學(xué)生開(kāi)放的便利性。在實(shí)際運行中，取得了良好的教學(xué)效果。該方案目前在國內高校具有較高的推廣利用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：單片機仿真 實(shí)驗室建設 Proteus

引 言

　　單片機技術(shù)是現代電子工程領(lǐng)域一門(mén)迅速發(fā)展的技術(shù)，應用于各種嵌入式系統中。單片機技術(shù)的發(fā)展和推廣極大地推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展，其在教學(xué)和產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)推廣仍然是當今業(yè)界的一個(gè)熱點(diǎn)。單片機技術(shù)是現代電子工業(yè)中不可缺少的一項技術(shù)，掌握單片機技術(shù)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)基本條件。

　　目前各個(gè)高校都建立了單片機實(shí)驗室，并且基本都是采用相應的硬件仿真設備；但是由于單片機的種類(lèi)繁多，再加上資金的限制，不可能在一個(gè)實(shí)驗室包括所有種類(lèi)的單片機仿真設備。下面結合我校的單片機實(shí)驗室建設淺談一下我們的作法。

1 引入單片機軟件仿真系統

　　伴隨著(zhù)計算機軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都出現了各種仿真系統，為各種實(shí)際系統的開(kāi)發(fā)提供了準確可靠的保證，同時(shí)節約了大量的人力和物力。電子信息技術(shù)領(lǐng)域也不例外，出現了大量的仿真工具，如各種EDA工具：模數混合仿真的Multisim、OrCAD、Protel等，數字系統設計仿真的Maxplus II、Fundation、Expert等，系統仿真軟件Systemview等。

　　目前，在我校已建立了EDA實(shí)驗室，配備了Multisim、Protel、Maxplus II(Quatues)、Systemview等軟件和配套硬件；但這些軟硬件對單片機的仿真無(wú)能為力，因此仍然需要建立單片機實(shí)驗室。過(guò)去，在單片機實(shí)驗室的建設中基本都是采用硬件仿真系統，所以為了保證實(shí)驗的順利開(kāi)設，同類(lèi)型的硬件仿真開(kāi)發(fā)系統就需要采購多套設備，這樣硬件的投資成本相對較高。

　　另一個(gè)很重要的原因就是，目前單片機的課程除了主要開(kāi)設8051系列單片機課程之外，還開(kāi)設AVR系列、PIC等系列的選修課。為了保證相應實(shí)驗的開(kāi)設，必須要有配套的實(shí)驗系統。如果要保證一定的實(shí)驗硬件設備套數，將是一筆更大的開(kāi)支。所以在目前經(jīng)費非常緊張的情況下，根據經(jīng)驗，引入單片機軟件仿真系統，就可以大大減少硬件設備的采購，同時(shí)降低對硬件設備進(jìn)行維護的工作量。

2 選擇單片機軟件仿真系統的標準

　　目前，具有單片機仿真功能的軟件比較多，如何選擇軟件，必須要有一個(gè)標準，以下是我們在建設實(shí)驗室時(shí)遵循的標準。

　?。?） 單片機仿真和SPICE電路仿真相結合

　　在仿真單片機系統時(shí)，不僅需要知道單片機內部各種寄存器、數據存儲器以及各個(gè)端口當前的狀態(tài)，更重要的是要完成人機通道、前向通道、后向通道、相互通道的配置與接口。在這些接口電路中，有許多是模擬電路，而模擬電路的仿真就需要SPICE模型，因此必須要求該系統具有SPICE電路仿真功能。

　?。?） 支持主流單片機系統的仿真

　　目前廣泛采用的單片機系統有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列等。很顯然，如果該軟件支持的單片機系統的系列很少，那就沒(méi)有任何優(yōu)勢可言。因為不可能為每一個(gè)系列的單片機配備一套軟件，所以要求該軟件盡可能將多個(gè)系列的單片機集成在一起。

　?。?） 提供軟件調試功能

　　在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點(diǎn)等調試功能，同時(shí)可以觀(guān)察各個(gè)變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能，同時(shí)要支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境。只有這樣，經(jīng)過(guò)該單片機軟件仿真系統訓練的學(xué)生，才能夠較快地熟悉和使用真正的硬件仿真系統。

　?。?） 提供豐富的外圍接口器件

　　外圍接口不僅僅限于僅有的幾個(gè)器件，這樣更接近實(shí)際。在訓練學(xué)生時(shí)，可以選擇不同的方案，這樣更利于培養學(xué)生。

　?。?） 提供豐富的虛擬儀器

　　利用虛擬儀器在仿真過(guò)程中可以測量外圍電路的特性，培養學(xué)生實(shí)際硬件的調試能力。

　?。?） 具有強大的原理圖繪制功能

　　目前絕大多數軟件都能滿(mǎn)足這個(gè)要求。

3 單片機實(shí)驗室建設的配置方案

　?。?） 軟件仿真系統選用Proteus（海神）的ISIS

　　該軟件的特點(diǎn)：① 全部滿(mǎn)足我們提出的單片機軟件仿真系統的標準，并在同類(lèi)產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。② 具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤(pán)和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。③ 目前支持的單片機類(lèi)型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。④ 支持大量的存儲器和外圍芯片?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大，是其他任何一款軟件不能相比的。

　　在單片機實(shí)驗室為每一臺計算機安裝該軟件。安裝套數的多少根據實(shí)驗室的規模確定。

　?。?） 編譯調試環(huán)境選用Keil C51 uVision2軟件

　　該軟件支持眾多不同公司的MCS51架構的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時(shí)還支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設計。它的界面友好易學(xué)，在調試程序、軟件仿真方面有很強大的功能，很多51應用的工程師都在使用該軟件；所以使用該軟件將使學(xué)生獲得很多實(shí)際工作經(jīng)驗，并且通過(guò)設置可與ISIS聯(lián)機調試單片機系統。
　　
　?。?） 配置計算機平臺

　　上面介紹的這兩款軟件，對機器的配置要求都不高，主流的計算機都能滿(mǎn)足要求。至于計算機的數量，根據實(shí)驗室的規模確定。我們按標準班級的數量配置，基本保證每人一臺。

　?。?） 配置硬件仿真器、實(shí)驗板、編程器和示波器等

　　我校每門(mén)課程基本安排10個(gè)左右的實(shí)驗。這10個(gè)實(shí)驗都是比較常規的實(shí)驗，不需要特殊的器件，所以每門(mén)課的實(shí)驗首先都是通過(guò)單片機仿真軟件實(shí)現的。為了讓學(xué)生的訓練不脫離實(shí)際，給學(xué)生提供硬件仿真和驗證的機會(huì )，我們的做法是：學(xué)生自己繪制原理圖，自己編制程序，在仿真軟件里首先調試通過(guò)，調試通過(guò)后，將自己編譯好的程序用編程器去燒錄，然后安裝到目標實(shí)驗板去觀(guān)察運行結果，如果有問(wèn)題，再連接硬件仿真器去調試、分析。

　　基于以上分析，我們在硬件的配置上有：8051系列的仿真器5套、PIC系列的仿真器5套、AVR系列的仿真器5套、編程器2臺，20M通用示波器5臺，配套的目標實(shí)驗板8051系列12套、AVR系列12套、PIC系列12套，相關(guān)的芯片若干。

　　配置有限的硬件設備，將節約的資金用于購買(mǎi)仿真軟件（相對來(lái)說(shuō)軟件的價(jià)格遠遠低于硬件的價(jià)格），這樣我們用有限的資金解決了單片機實(shí)驗室的建設問(wèn)題，對于經(jīng)費緊張的學(xué)校有一定的借鑒價(jià)值。

　　至于在具體實(shí)施時(shí)會(huì )涉及到一些具體的技術(shù)問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò )上和軟件的隨機文檔中都有這方面詳細的資料，只要查看一下，基本都能解決。

　　總之，我們認為采用這樣的方案有以下優(yōu)勢：有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養；從經(jīng)濟性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實(shí)驗室是非常有意義的；利用仿真系統，可以節約開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本；利用仿真系統，具有很大的靈活性和可擴展性；也是高校提升實(shí)驗室建設水平有益的嘗試。

　　以上是筆者對建立單片機實(shí)驗室的一些粗淺的想法，只是想寫(xiě)出來(lái)和同行們一起探討。如有不妥之處，還請指正。

參考文獻

　　1 http://www.labcenter.co.uk/

　　2 http://www.keil.com/

　　李學(xué)禮：講師，主要研究方向為電子設計自動(dòng)化、多媒體技術(shù)。