Proteus虚拟仿真在单片机原理课程中的应用
摘要：单片机原理课程是一门实践性很强、综合应用型课程，该文通过实例分析了Proteus在单片机原理课程中应用，通过实际教学，有效的提高了学生分析问题和解决问题的能力，培养了学生的团队协作能力以及创新能力。
关键词：Proteus；单片机；虚拟仿真技术
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5755-04
1 Proteus介绍及主要功能
Proteus是英国Labcenter公司研发的EDA工具软件，该软件可以进行模拟电路、数字电路、模/数混合电路设计与仿真，PCB设计、脚本编程，还可以进行微处理器控制电路设计和实时仿真，具体功能如表1所示。Proteus主要有Schematic Capture、PCB Layout、Gerbit三大结构体系[1，2]。2013年5月26日，推出最高版本是Proteus 8.0 SP3，与以前的版本相比，除了保持以前软件的优良特点外，有了很大的改变，主要有[3]：
1） 采用Integrated Application Framwork新技术，将上述三个模块集成在一个界面内，实现了真真一体化的EDA设计理念。这三个软件可以运行在一个窗口内（标签式模式或单帧模式），也可以运行在多帧模式，各自有一个单独界面，好像类似于以前的版本。帧模式往往会以更好的满足笔记本电脑用户；而多帧模式，使物尽其用的多显示器桌面设置。多帧模式和单帧模式之间可以切换，在单帧模式下，在对应的界面标签上双击左键，即转变为多帧模式；在多帧模式下，将一个窗口拖动到另一窗口内，则窗口自动合为一起，变为单帧模式。除了上述三个界面外，Design Explorer（设计资源管理器窗口）、BOM（元器件清单窗口）、3D Viewer（3D预览窗口）、Maximized graph windows（最大化的图表仿真窗口）等窗口都具有此功能。
2） ISIS Schematic Capture和ARES共享一个数据库CDB（Common database）， CDB数据库包含项目中所有的部件（Parts）和元件（elements）的信息。部件代表ARES PCB中的物理组件，而元件代表在原理图上的逻辑组件。CDB数据还保存了部件和元件之间的联系关系，例如一个同类多组元器件（74LS00，2输入4与非门，设在原理图中以U1：A，U1：B，U1：C，U1：D表示），如果对U1：A中的封装由DIL14改为SOL14，则系统自动更新ARES中的封装，也会自动更新原理图中U1：B，U1：C，U1：D的封装并自动更新原理图和PCB中的引脚。Proteus 8把ISIS原理图设计文件（*.DSN）、PCB Layout（*.LYT）、CDB以及VSM Studio（Firmware）和程序相关的代码保存在一个项目文件（*.PDSPRJ）里。
3） 采用新的网络表管理方式，即Live Net listing，使在原理图schematic上的变化立即反映在ARES、，设计资源管理器和元器件清单中。
4） 3D Viewer
新的3D预览方案也支持ARES和3D Viewer之间实施更新数据。
5） Bill of Materials（元器件清单）
Proteus 8提供了一个全新的WYSIWYG 的BOM界面，与ISIS之间实时更新，可以对BOM报表中内容进行修改如可视化的页眉页脚编辑器。还可以反标注与原理图，设置器件的订单代码、成本等参数，支持打印输出和生成多种文件格式。
6） 新的VSM studio IDE（Integrated development environment）集成开发环境，可以使的微处理编程与硬件调试更方便、便捷。在Proteus 8 中，VSM studio IDE成为一个独立的应用程序，这样的好处主要有：
① 固件自动加载成功后，自动编译成目标处理器。
② 新建项目向导，在选择目标处理器后，会自动生成一些基本的电路图（如电源电路、复位电路等）。
③ 既可以在原理图中调试也可以在第三方IDE中调试。
2 Proteus在单片机中的虚拟仿真
2.1 Proteus VSM功能介绍
Proteus VSM能够对目前多种型号的微处理器如8051/52、ARM7、AVR、PIC10、PIC12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430 、Micro、MAXIM（美信）系列、Cortex-3、TMS320C28X 等系列进行实时仿真、协同仿真、调试与测试的EDA工具，并有大量的单片机外围仿真器件[4-7]。随着版本的不同还在继续增加。
2.2 Proteus VSM 单片机实时虚拟与程序调试
这里以8051系列单片机为例。设计如图2所示原理图，并用相关软件编写程序[8-13]，实现用单片机控制LM01602液晶显示器显示“Have a nice day！ Proteus VSM”。
2.2.1 固件核与调试软件实时捆绑
Proteus8.0在创建原理图时提供了固件核与自带调试软件或者第三方软件快速捆绑，并根据固件核和捆绑的软件产生固件核硬件电路和相关编程程序模块。如图3所示。
2.2.2 实时调试
单击Proteus Schematic Capture工具栏中的Active Popup Mode工具栏，在原理图中选中LCD1和电压探针。打开Source Code窗口，单击“暂停”按钮或者“单步”执行按钮，弹出程序调试窗口，如图4所示。通过Run Simulation、Step Over、Step Into、Step Out等命令进行程序调试。
2.2.3 实时数据观察
Proteus 8.0提供了实时数据观察功能，暂停程序或者单步执行程序时，单击元器件则弹出器件终端逻辑状态表，在此单击LCD1液晶显示器元器件，其终端逻辑状态如图5所示。从图5可以看出，液晶显示器引脚D7-D0引脚的电平为SLO、WHI、WHI、WHI、SLO、WHI、WHI、SLO分别对应二进制为01110110，转换为十六进制为0x76H，该值恰好是小写字母“v”的ASCII码。该值也可以通过电压探针读出。在Proteus8.0提供了单片机的CPU的数据实时观察，主要包括Registers、SFR Memory、Internal （IDATA） Memory、Source Code、Variable等实时数据观察窗口。在图6中的Register窗口中可以观察到51单片机的P0输出数据为76H（十六进制），Variable窗口中的变量_A_P0其值是0X76，其SFR窗口中的地址80H单元中保存输出的值是76H，从这些窗口都可以观察到当前的输出实时的数据。
2.2.4 基于图表的实时数据观察
Proteus8.0提供了13中ASF（Advanced Simulation Features）仿真，在原理图中加入数字图表，并在图2中加入电压探针（探针名称为D[0..7]，是总线）。在数字图表中加入电压探针，并按“Space”键产生在程序运行时经过数据总线D[0..7]上的所有数据，如图7所示。将该数据与图6中的IDATA中的数据对比，会发现总线上输出的数据（十六进制）与IDATA中定义的字符串“Have a nice day！ Proteus VSM”的ASCII完全一致。
2.3 基于Proteus的单片机控制系统的PCB设计
Proteus提供了高级布线与编辑软件ARES，可以实现PCB设计、3D预览以及Gerbit信息输出。图8为上述实例的PCB版图和3D预览窗口
3 总结
在《单片机原理及应用》课程中引入虚拟仿真技术，在实验、理论中进行电路图虚拟仿真，使学生在宿舍就可以进行实验，大大提高了学生的学习兴趣，学生在上课前或者做实验前就可以在虚拟平台上搭建实验平台，提高了学生动手能力，培养了学生的查找资料、应用资料的能力，培养了学生思考问题、解决问题的能力，学生的成绩在逐年提高。学生参加“挑战杯”、“电子竞赛”、“创新性大学生实验”等大型赛事和项目中，采用Proteus软件设计电路和虚拟仿真，得到专家和评委的好评。
参考文献：
[1] http：//.
[2] http：//.
[3] Proteus 8.0 Readme.chm.
[4] 曲贵波，乔爽，吴东艳，等.Proteus 仿真软件在单片机教学中的应用[J]. 林区教学，2013（2）.
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