Proteus单片机仿真器系统.docx
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Proteus单片机仿真器系统
单片机原理与应用实验指导书
附录1Proteus单片机仿真器系统概述
1PROTEUS简介
●PROTEUS是英国LABCENTER公司研发的一款EDA软件。
●PROTEUS不仅可以做模拟电路、数字电路及数模混合电路的仿真，也可以做51、AVR、PIC、ARM等多种MCU的仿真。
●在PROTEUS中，可以实现从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB的设计的一系列过程。
Proteus是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。
•ISIS——智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台。
•ARES——高级PCB布线编辑软件。
•VSM------处理器仿真模型，提供交互式仿真系统
——从概念到完成
在Proteus中,可以实现从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一系列过程。
真正实现了从概念到产品的完整设计。
ISIS原理图设计与仿真
ARES线路板设计
产品
2ISIS的基本操作及原理图的设计
2.1ISIS的界面
ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1-2所示。
包括：
标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
2.2ISIS的菜单
PROTEUS的菜单符合WINDOWS的操作风格。
ØFile菜单：
包括常用的功能，如打开新的文件、加载设计、保存设计、导入/导出文件、打印等。
ØView菜单：
包括是否显示网格、设置格点间距、缩放电路图能显示与隐藏各种工具等。
ØEdit菜单：
包括撤消/恢复操作、查找、编辑、剪切、复制、粘贴器件等。
ØLibrary菜单：
包括添加、创建元器件/图标及调用库管理。
ØTool菜单：
包括实时标注、实时捕捉及自动布线等。
ØDesign菜单：
包括编辑设计属性、编辑图纸属性、进行设计注释等。
ØGraph菜单：
包括编辑图形、仿真图形和分析一致性等。
ØSource菜单：
包括添加/删除源文件、定义代码生成工具调用外部文本编辑器等。
ØDebug菜单：
包括启动调试、执行仿真、单步执行和重新排布弹出窗口等。
ØTemplate菜单:
包括设置图形格式、文本格式、设计颜色、线条连接点大小等。
ØSystem菜单：
包括自动设置保存时间间隔、图纸大小和标注字体等。
ØHelp菜单：
包括版权信息、和示例等。
2.3ISIS的按钮
2.4原理图的输入
2.4.1器件的搜索方法——模糊搜索和通过器件库搜索。
将所需元器件加入到对象选择器窗口。
选中component按钮
弹出“PickDevices”页面，进入了元器件库。
在“Keywords”输入AT89C51，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中。
2.4.2器件的操作
（1）放置：
在编辑窗鼠标左键单击放置器件。
在对象选择器窗口中，选中AT89C51，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置，此时器件呈高亮状态，单击鼠标左键，该对象被完成放置。
（注意到在绘图工具栏中的元器件按钮
处于选中状态）
（2）器件的选中、移动、复制、旋转、删除和替换。
i、选中：
用鼠标指向对象并点击左键可以选中该对象。
该操作选中对象并使其高亮显示，然后可以进行编辑。
选中对象时该对象上的所有连线同时被选中。
要选中一组对象，可以通过依次在每个对象右击选中每个对象的方式。
也可以通过右键拖出一个选择框的方式，但只有完全位于选择框内的对象才可以被选中。
ii、移动：
用鼠标指向选中的对象并用左键拖曳可以拖动该对象。
该方式不仅对整个对象有效，而且对对象中单独的labels也有效。
iii、复制：
用鼠标选中的对象后菜单Edit—copytoclipboard或用鼠标左键点击Copy图标
。
iv、旋转：
许多类型的对象可以调整朝向为0,90,270，360或通过x轴y轴镜象。
当该类型对象被选中后，
“RotationandMirror”图标会从蓝色变为红色，然后就可以来改变对象的朝向；或者使用右键菜单中的旋转命令完成器件旋转。
v、删除：
用鼠标指向选中的对象并点击右键可以删除该对象，同时删除该对象的所有连线。
vi、在旧器件上放置新器件，确认至少有一个引脚重叠。
（3）元器件块操作：
右键选中所需操作的块，就可以用块的相关命令对它操作。
Ⅰ、整体移动：
选中需要的一组对象（参照1.4.i）；用鼠标左键点击Move图标
；把轮廓拖到需要的位置，点击鼠标左键放置。
或直接使用鼠标左键拖拽选中一组对象，在左键移动。
Ⅱ、整体复制：
选中需要的一组对象；点击右键，在右键菜单中选择copu图标
；把轮廓拖到需要的位置，点击鼠标左键放置。
Ⅲ、选中需要的一组对象；用鼠标左键点击copu图标
。
（4）属性编辑：
双击左键即可进入器件属性的编辑；通过PAT（属性分配工具）编辑。
2.4.3器件的连线
（1）器件的连线
你一定发现没有画线的图标按钮。
这是因为ISIS的智能化足以在你想要画线的时候进行自动检测。
这就省去了选择画线模式的麻烦。
当鼠标的指针靠近一个对象的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，鼠标左键点击元器件的连接点，移动鼠标（不用一直按着左键）就出现了粉红色的连接线变成了深绿色。
步骤：
vii、左击第一个对象连接点。
viii、如果你想让ISIS自动定出走线路径，只需左击另一个连接点。
另一方面，如果你想自己决定走线路径，只需在想要拐点处点击鼠标左键。
ix、一般连线：
ctrl键的作用是画斜线。
x、当要连接的一组线相似时，先连上一条，然后在新的连接点上双击左键，可复制上一布线线段。
xi、连线的删除：
右键双击完成线路的删除。
xii、左键拖曳选中的连线，可以移动连线。
xiii、网络标号：
左键点击LBL按钮，然后左键点击连线，可以在连线上放置网络标号，代表线路的物理连接
（2）总线的应用
为了简化原理图，我们可以用一条导线代表数条并行的导线，这就是所谓的总线。
点击工具箱的总线按钮
，即可在编辑窗口画总线。
放置总线将各总线分支连接起来，方法是单击放置工具条中图标
，这时工作平面上将出现十字形光标，将十字光标移至要连接的总线分支处单击鼠标左键，系统弹出十字形光标并拖着一条较粗的线，然后将十字光标移至另一个总线分支处，单击鼠标的左键，一条总线就画好了。
2.4.4层次化设计方法
（1）对于较为复杂的原理图，可以采用多页设计，线路的电气连接由网络标号决定。
（2）子电路设计是自顶而下的过程：
–点击子电路按钮，绘制子电路并添加端口;
–点击
进入子电路内层设计电路原理图；
–为内电路加上与上层同名的信号端口；
–点击
返回上层。
2.5原理图的输出
2.5.1文稿的输出
通过File－ExportGraphics，可以输出多种形式的文稿，例如输出bmp位图用于文档发表。
输出时可以一并输出仿真状态。
2.5.2网表输出
通过Tools－NetlistCompiler，可以输出多种格式的网表，其中包括支持Protel的Tango格式网表。
2.5.3元器件表的输出
通过Tool-BillofMaterials,可以以多种格式输出元器件清单，便于采购。
3PROTEUSVSM仿真
PROTEUSVSM有两种不同的仿真方式：
交互式仿真和基于图表的仿真。
Ø交互式仿真－实时直观地反映电路设计的仿真结果；
Ø基于图表的仿真－用来精确分析电路的各种性能，如频率特性、噪声特性等。
也可以结合两种方式进行仿真。
交互仿真用进程控制按钮启动
，定性分析电路。
基于图表的仿真按键盘空格键或菜单
，定量分析电路。
图表仿真方式结合了两种方式进行仿真。
3.1仿真工具的介绍
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，原理图中可以包含以下仿真工具：
Ø探针－直接布置在线路上，用于采集和测量电压/电流信号；
Ø电路激励－多种激励信号源；
Ø虚拟仪器－如数字示波器等；
Ø曲线图表－高级分析工具。
3.1.1探针（Probe）
探针：
工具栏中找到
直接布置在线路上，用于采集和测量电压/电流信号；可以结合图表的仿真使用。
•
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）－仅在模拟电路仿真中使用，可显示电流方向和电流瞬时值。
探针即可用于基于图表的仿真，也可用于交互式仿真中。
3.1.2激励源
工具栏中找到
包含了数字和模拟两大类励源：
共13种系统的激励信号源，对象选择器显示如下图：
•DC：
直流电压源；
•Sine：
正弦波发生器。
•Pulse：
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。
•Audio：
音频信号发生器。
数据来源于wav文件。
•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。
•
SCRIPTALBE:
可脚本化波形发生器
3.1.3虚拟仪器
工具栏中找到
，用于定性分析电路的运行状况：
共13种系统的虚拟仪器。
对象选择器显示如下图：
•虚拟示波器（OSCILLOSCOPE）
•逻辑分析仪（LOGICANALYSER）
•计数/定时器（COUNTERTIMER）
•虚拟终端（VIRUALTERMINAL）
•信号发生器（SIGNALGENERATOR）
•模式发生器（PATTERNGENERATOR）
•交直流电压表和电流表（AC/DCvoltmeters/ammeters）
•SPI调试器（SPIDEBUGGER）
•
I2C总线
调试窗口
I2C调试器（I2CDEBUGGER）
3.1.4曲线图表
工具栏中找到
，用于定量分析电路的参数指标，共13种图表。
对象选择器显示如下图：
•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）
3.1.4接地和5V电源：
工具栏中找到
，在对象选择器有显示如右图：
3.2高级图表仿真
3.2.1图表放置与设置
1.点击图表按钮，选择图表，在编辑窗空余处画出图表；
2.点击图表标题使图表最大化，通过Graph－EditGraph，设置图表显示区间、参考信号等参数。
3.2.2加入探针信号
选中探针（信号源），左键拖曳入图表。
频率分析图表有两个Y轴，左边表示频率，右为相位，所以选择电压探针后，要在左右两边都添加才能同时显示出幅相特性曲线。
3.3运行仿真
点击图表中运行按钮
或按空格键，运行仿真。
3.4图表分析
1.标尺线。
左键拖出第一条标尺线，按住Ctrl再用左键拖出第二条标尺线
2.图表缩放。
使用图表中的工具
，可进行平移和缩放。
4微处理器系统的仿真
该软件有自带编译器，有51的、PIC的、AVR的汇编器等。
在ISIS中设计仿真电路原理图，在自带的编辑器上编写源程序，用自带的编译器编译生成可执行文件并加载到CPU。
根据需要修改CPU相应的属性。
注意CPU的运行时钟是在属性中设定的，与外接晶振无关。
4.1源文件的编辑和编译
步骤如下：
i、点击菜单栏“Source”（源代码），在下拉菜单点击“Add／RemoveSourceFiles（添加或删除源程序）”出现一个对话框。
ii、在“CodeGenerationTool”（代码生成工具）的下面找到“ASEM51”；
iii、点击对话框的“NEW”（新建）按钮，在出现的对话框建立pwm.asm，然后点击“OK”（确定）按钮。
如下图：
iv、在pwm.asm编写源程序并保存。
v、点击菜单栏的“Source”（源代码），在下拉菜单点击“BuildAll”（全部编译）过一会，编译结果的对话框就会出现在我们面前。
如果有错误，对话框会告诉我们是哪一行出现了问题。
4.2加载可执行文件到CPU
选中单片机AT89C51，左键点击AT89C51，在出现的对话框里，如下图：
点击ProgramFile按钮，找到刚才编译得到的pwm.hex文件，然后点击“OK”按钮就完成了CPU的加载。
可以在该对话框修该CPU的属性，例如：
修改该单片机的cloclk为6MHZ.
4.3仿真和调试
点击调试进程控制按钮的运行按钮
进入调试状态。
在调试框架里可以执行单步、跳进、跳出、断点、查看寄存器内容等操作。
调试窗口如下：
参考操作流程：
点击调试进程控制按钮的运行按钮
进入调试状态。
按钮依次为，全速运行；按照帧格式运行；暂停；停止并复位。
在系统复位后，点击暂停按钮，可以在调试下拉菜单中，依次打开上图所示的各个子窗口。
在CPU源程序代码窗口中可以观察当前程序执行的流程，在其它窗口中可以观察CPU内部各个存储器单元的内容，在CPU源程序代码窗口中运用工具栏中的按钮，可以实现单步越过函数（或按F10键）；单步跳进函数（或按F11键），单步跳出函数（或按CtrL+F11键）以及断点运行等（在主窗口的调试下拉菜单中也有相应的命令），进行系统调试，合理布局观测窗口的位置，可以同时观察到程序进程，CPU内部寄存器状态以及外部电路的响应，实现软硬件虚拟联合调试。
发现硬件错误时，可以直接修改电路，通过“全部编辑”后，即可以再次运行仿真；发现软件错误在“Source”（源程序），在下拉菜单点中，点击源程序文件名，即可打开源程序编辑窗口，修改源程序后，通过“全部编辑”后，即可以再次运行仿真。
5Keil和Proteus的协同仿真
Proteus可以与第三方IDE联调实现协同仿真。
能实现协同仿真的IDE有Keil2（51系列）,Keil3和IAR（ARM系列）,Mplab（PIC系列）。
本章以keil2与89C51联调为例。
5.1环境的设置
假若KeilC与Proteus均已正确安装在C:
\ProgramFiles的目录里，运行安装光盘\utility目录下的应用程序vdmagdi.exe
。
（以上仅在初次使用时运行）
5.2在keil中设置选项
进入KeilCμVision2开发集成环境，创建一个新项目（Project），并为该项目选定合适的单片机CPU器件（如：
Atmel公司的AT89C51）并为该项目加入源程序。
单击“Project菜单/OptionsforTarget”选项或者点击工具栏的“optionfortarget”按钮
，弹出窗口，点击“Debug”按钮，出现如图所示页面。
在出现的对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中“ProteusVSMMonitor一51Driver”。
并且还要点击一下“Use”前面表明选中的小圆点。
再点击“Setting”按钮，设置通信接口，在“Host”后面添上“127.0.0.1”，如果使用的不是同一台电脑，则需要在这里添上另一台电脑的IP地址（另一台电脑也应安装Proteus）。
在“Port”后面添加“8000”。
设置好的情形如图所示，点击“OK”按钮即可。
最后将工程编译，进入调试状态，并运行。
5.3在Proteus下设置选项
进入Proteus的ISIS，鼠标左键点击菜单“Debug”，选中“useromotedebugermonitor”，如图所示。
此后，便可实现KeilC与Proteus连接调试。
5.4协同仿真
运行Keil，Proteus同时进入仿真状态。
如下图所示。
5.6与第三方IDE的联合仿真
Proteus和MPLAB、Keil、IAR等集成开发环境结合，可以进行联合仿真，仿真前需安装相应的“驱动程序”（新版本的MPLAB不需要），如对于Keil，需先运行vdmagdi.exe,对于IAR，需先运行vdmcspy.exe.这些文件可以从安装光盘的utility目录下得到，也可以从Labcenter官方网站下载。
以下以Keil为例加以说明。
1、运行驱动程序vdmagdi.exe
2、在Proteus中设计电路原理图，并选中Debug－useremotedebugmonitor；
3、在Keil环境下创建项目，编辑源程序（C或ASM）编译为hex文件；
4、在Keil中，设置Target－targetoption-debug,选用ProteusVSMSimulator；
5、在Proteus中将Keil生成的hex文件加载给CPU；
6、在Keil中运行、调试程序，同时在Proteus中观察运行结果。
5.7在Proteus中的C源代码调试
如果设置编译环境，使其输出含有调试信息的代码文件，下载到单片机，仿真时就能直接在Proteus下观察、调试C源代码。
1、PIC单片机——使用MPLAB、Hitech、CCS，输出.cof文件。
使用IAR，输出ubrof8文件；
2、AVR单片机——使用cof、ubrof8或elf/dwarf2格式输出文件；
3、ARM7——使用elf/dwarf2文件；
4、8051系列——使用omf（Keil）或ubrof8（IAR）文件；
5、HC11系列——使用ubrof8文件。
5.8附录：
建立KEIL工程文件并添加源程序
点击“Project->NewProject…”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字（设为exam1），不需要扩展名。
点击“保存”按钮，出现第二个对话框，如图2所示，这个对话框要求选择目标CPU（即你所用芯片的型号），Keil支持的CPU很多，我们选择Atmel公司的89C51芯片。
点击ATMEL前面的“+”号，展开该层，点击其中的89C51，然后再点击“确定”按钮，回到主界面，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Target1”，前面有“+”号，点击“+”号展开，可以看到下一层的“SourceGroup1”，这时的工程还是一个空的工程，里面什么文件也没有，需要手动把已经编写好的源程序加入，点击“SourceGroup1”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单，如图3所示。
选中其中的“AddfiletoGroup”SourceGroup1”，出现一个对话框，要求寻找源文件，注意，该对话框下面的“文件类型”默认为Csourcefile（*.c），也就是以C为扩展名的文件，如果所要添加的文件是以asm为扩展名的，则在列表框中找不到，要将文件类型改掉，点击对话框中“文件类型”后的下拉列表，找到并选中“AsmSourceFile（*.a51,*.asm），这样，在列表框中就可以找到所需要的**.asm文件了。
图3加入文件
图2选择目标CPU
双击**.asm文件，将文件加入项目，注意，在文件加入项目后，该对话框并不消失，等待继续加入其它文件，但初学时常会误认为操作没有成功而再次双击同一文件，这时会出现如图4所示的对话框，提示你所选文件已在列表中，此时应点击“确定”，返回前一对话框，然后点击“Close”即可返回主界面，返回后，点击“SourceGroup1”前的加号，会发现exam1.asm文件已在其中。
双击文件名，即打开该源程序。
图4重复加入文件的错误
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