基于Proteus软件的单片机实验室建设

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基于proteus软件的单片机实验室建设

摘要：

在电类专业教学中,单片机的实验室建设大多采用硬件仿真器配目标实验板方式,不仅需采购大量的硬件设备,而且设备维护工作量也非常巨大。本文提出一种基于软件仿真的单片机实验室建设方案。该方案配置有限的硬件设备,很好地解决了资金和设备维护问题;大量的仿真工作是在软件环境中实现,大大增强了实验室向学生开放的便利性。在实际运行中,取得了良好的教学效果。该方案目前在国内高校具有较高的推广利用价值。

关键词单片机仿真实验室建设 Proteus

　　单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术,应用于各种嵌入式系统中。单片机技术的发展和推广极大地推动了电子工业的发展,其在教学和产业界的技术推广仍然是当今业界的一个热点。单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术,掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个基本条件。

　　目前各个高校都建立了单片机实验室,并且基本都是采用相应的硬件仿真设备;但是由于单片机的种类繁多,再加上资金的限制,不可能在一个实验室包括所有种类的单片机仿真设备。下面结合我校的单片机实验室建设浅谈一下我们的作法。

1 引入单片机软件仿真系统

　　伴随着计算机软件和硬件技术的飞速发展,在各个领域都出现了各种仿真系统,为各种实际系统的开发提供了准确可靠的保证,同时节约了大量的人力和物力。电子信息技术领域也不例外,出现了大量的仿真工具,如各种EDA工具：模数混合仿真的Multisim、OrCAD、protel等,数字系统设计仿真的Maxplus II、Fundation、Expert等,系统仿真软件Systemview等。

　　目前,在我校已建立了EDA实验室,配备了Multisim、Protel、Maxplus II(Quatues)、Systemview等软件和配套硬件;但这些软硬件对单片机的仿真无能为力,因此仍然需要建立单片机实验室。过去,在单片机实验室的建设中基本都是采用硬件仿真系统,所以为了保证实验的顺利开设,同类型的硬件仿真开发系统就需要采购多套设备,这样硬件的投资成本相对较高。

　　另一个很重要的原因就是,目前单片机的课程除了主要开设8051系列单片机课程之外,还开设AVR系列、PIC等系列的选修课。为了保证相应实验的开设,必须要有配套的实验系统。如果要保证一定的实验硬件设备套数,将是一笔更大的开支。所以在目前经费非常紧张的情况下,根据经验,引入单片机软件仿真系统,就可以大大减少硬件设备的采购,同时降低对硬件设备进行维护的工作量。

2 选择单片机软件仿真系统的标准

　　目前,具有单片机仿真功能的软件比较多,如何选择软件,必须要有一个标准,以下是我们在建设实验室时遵循的标准。

　　（1）单片机仿真和SPICE电路仿真相结合

　　在仿真单片机系统时,不仅需要知道单片机内部各种寄存器、数据存储器以及各个端口当前的状态,更重要的是要完成人机通道、前向通道、后向通道、相互通道的配置与接口。在这些接口电路中,有许多是模拟电路,而模拟电路的仿真就需要SPICE模型,因此必须要求该系统具有SPICE电路仿真功能。

　　（2）支持主流单片机系统的仿真

　　目前广泛采用的单片机系统有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。很显然,如果该软件支持的单片机系统的系列很少,那就没有任何优势可言。因为不可能为每一个系列的单片机配备一套软件,所以要求该软件尽可能将多个系列的单片机集成在一起。

　　（3）提供软件调试功能

　　在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能,同时要支持第三方的软件编译和调试环境。只有这样,经过该单片机软件仿真系统训练的学生,才能够较快地熟悉和使用真正的硬件仿真系统。

　　（4）提供丰富的外围接口器件

　　外围接口不仅仅限于仅有的几个器件,这样更接近实际。在训练学生时,可以选择不同的方案,这样更利于培养学生。

　　（5）提供丰富的虚拟仪器

　　利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性,培养学生实际硬件的调试能力。

　　（6）具有强大的原理图绘制功能

　　目前绝大多数软件都能满足这个要求。

3 单片机实验室建设的配置方案

　　（1）软件仿真系统选用Proteus（海神）的ISIS

　　该软件的特点：① 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准,并在同类产品中具有明显的优势。② 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。③ 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。④ 支持大量的存储器和外围芯片。总之,该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大,是其他任何一款软件不能相比的。

　　在单片机实验室为每一台计算机安装该软件。安装套数的多少根据实验室的规模确定。

　　（2）编译调试环境选用Keil C51 uVision2软件

　　该软件支持众多不同公司的MCS51架构的芯片,集编辑、编译和程序仿真等于一体,同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学,在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能,很多51应用的工程师都在使用该软件;所以使用该软件将使学生获得很多实际工作经验,并且通过设置可与ISIS联机调试单片机系统。

　　（3）配置计算机平台

　　上面介绍的这两款软件,对机器的配置要求都不高,主流的计算机都能满足要求。至于计算机的数量,根据实验室的规模确定。我们按标准班级的数量配置,基本保证每人一台。

　　（4）配置硬件仿真器、实验板、编程器和示波器等

　　我校每门课程基本安排10个左右的实验。这10个实验都是比较常规的实验,不需要特殊的器件,所以每门课的实验首先都是通过单片机仿真软件实现的。为了让学生的训练不脱离实际,给学生提供硬件仿真和验证的机会,我们的做法是：学生自己绘制原理图,自己编制程序,在仿真软件里首先调试通过,调试通过后,将自己编译好的程序用编程器去烧录,然后安装到目标实验板去观察运行结果,如果有问题,再连接硬件仿真器去调试、分析。