第ｌＯ卷第３期 常州信息职业技术学院学报 ＶＯ１．１Ｏ ＮＯ３ ２０１１年６月 Ｊｏｔｔｒｌｌａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ： Ｊｔｍ．２０１１ 基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的单片机仿真实验 高立新 （广东机电职业技术学院广东广州５１０５１５） 摘要：在电子类专业教学中，单片机的实验和实训常规采用硬件实验箱或实验板方式，此硬件实验平台不仅投资成本高，而 且局限于固有的硬件电路，不便于更改电路。提出一种基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真的单片机虚拟实验方案，该方案不需采 购大量的硬件设备，而是使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真，完成单片机的实验和实训。同时，使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的单片机虚拟实 验便于设计、修改单片机外围电路。基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真的单片机虚拟实验在实际运行中，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：Ｐｒｏｔｅｕｓ；单片机；仿真；实验 中图分类号：ＴＰ ３６８．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－２４３４（２０１１）０３－００２９－０４ Ｍ ＣＵ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｏｔｅｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＧＡＯ Ｌｉ－ｘｉｎ （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｊｉｄｉａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０５１５，Ｃｈｉｎａ） ＆ｌＷｔ￣ｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｐｒｏｇｒａｍｓ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆＭＣＵ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂｏｘ ｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂｏａｒｄ．Ｔｈｉｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｉｎ ｃｏｓｔ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｆＬ￣ａｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｎｏｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ＭＣＵ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｄｅ Ｏ１１ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｒｅｑｕｉｒｅ ｌａｒｇｅ ｐｕｒｃｈａｓｅ ｏｆｈａｒｄｗａｒｅ ｑｅｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｔｊｕｓｔ ｕｓｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｔ￣ｗａｒｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｅｃ ｏｆ ＭＣＵ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｔ ｉｓ ｅａｓｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｎｅｔ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｙ ＭＣＵ ｉｎｔｅｆｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｅｃ ｏｆＭＣＵ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ Ｏｒｌ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｏｆｔ． ｗａｒｅ，ｅｘｃｅｌｌｎｅｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ａ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆｈｉｇｈ ｖａｌｕｅ ｏｆｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｅｇｅｓ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ． 呵ｗｏｎｌｌ：Ｐｒｏｔｅｕｓ；ＭＣＵ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项 计算机仿真技术，是在计算机平台上使用电子 技术，掌握单片机技术是电子类专业学生就业的一 仿真软件进行电路设计、仿真、调试，完成通常在相 个基本条件。目前各个高校电子类专业都设有单片 应硬件实验室才可以完成的实验。伴随着计算机软 机应用课程，传统的单片机实验都是采用硬件实验 件和硬件技术的飞速发展，在各个领域都出现了各 箱或实验板方式，硬件投资成本相对较高。同时，目 种仿真系统，为各种实际系统的开发提供了准确可 前基于硬件的实验平台往往采取一种定式的实验环 靠的保证，同时节约了大量的人力和物力。目前，大 境，即教师和学生只能在有限的几种器件或线路实 多数高校已建立了ＥＤＡ实验室，配备了Ｐｒｏｔｅｌ、 验板之上进行实验内容的设定，不利于开展创新性 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ等软件；但这些软件对单片机的仿真 实验。 为力，因此仍然需要建立单片机仿真实验平台。 收稿日期：２０１ １－０３－０６ 作者简介：高立新（１９６７－），男，高级工程师，硕士，从事研究方向ｉ电子电路和ＥＤＡ 常州信息职业技术学院学报 ２０１１年６月 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系列单片机 的选修课。现有的硬件设备不支持８０５１以外的其 他系列单片机。为了解决以上问题，我院使用Ｐｒｏ— ｔｅｕｓ软件仿真，建立单片机虚拟实验平台，完成单片 机的实验和实训。 器。在Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真中可以选用ＷＡＶＥ或Ｋｅｉｌ软件 编译器输出的机器语言文件，这两个编译调试软件 支持众多不同公司的单片机芯片，集编辑、编译和程 序检错于一体，同时还支持汇编和Ｃ语言的程序设 计。它的界面友好易学，在调试程序方面有很强大 的功能。 ｏｔｅｕｓ软件的单片机仿真实 １ 基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的单片机仿真实 ２基于Ｐｒ验平台的配置 １－１ 单片机仿真软件选用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件 目前，具有电路仿真功能的软件比较多，性能比 较好、学校和企业使用比较多的有Ｍｕｌｔｉｓｉｍ、Ｏｒ— ＣＡＤ等，但是这些软件不能提供对单片机芯片的仿 真。到目前为止，只有Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司的 Ｐｒｏｔｅｕｓ软件能够提供完善的单片机芯片及嵌入式 系统的仿真。 Ｐｒｏｔｅｕｓ是一种功能强大的电子设计自动化软 件，提供原理图设计、模拟电路、数字电路及ＭＣＵ 器件混合仿真系统和ＰＣＢ设计系统功能。不仅可 以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数 字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验。 最大的特色在于可以提供单片机、嵌入式系统的仿 真实验，这也是其他仿真软件无法比拟的。 Ｐｒｏｔｅｕｓ软件满足单片机软件仿真系统的全部 标准。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、 Ｉ ｃ调试器、ＳＰＩ调试器、键盘和ＬＣＤ系统仿真的功 能；还有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号 发生器等。 ’目前Ｐｒｏｔｅｕｓ软件支持的单片机类型有：８０５１ 系列、６８０００系列、ＡＶＲ系列、ＰＩＣ系列以及各种外 围芯片。Ｐｒｏｔｅｕｓ软件还支持大量的存储器和外围 芯片。 Ｐｒｏｔｅｕｓ单片机实验室采用仿真软件和相应的 硬件平台构成一个从虚拟到实际，从软件到硬件，从 概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主 要用于单片机应用、单片机接口技术、嵌入式系统等 课程的实验、实训、创新开发等。 １．２编译调试环境选用ＷＡＶＥ或Ｋｅｉｌ软件 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真中的单片机芯片，与单片机硬件的 实验平台中单片机芯片一样，需要下载编译好的机 器语言文件，这就需要汇编语言和ｃ语言的编译 验教学实例 ２．１ Ｐｒｏｔｅｕｓ单片机仿真实验的流程 Ｐｒｏｔｅｕｓ单片机仿真实验的流程图如图１所示： 打开Ｐｒｏｔｅｕｓ软件 ＋ 用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件绘制含有单片机芯片的电路图 ● 载编译生成代码文件到Ｐｒｏｔｅｕｓ图中的单片机芯片 ＋ ｌ点击运行按钮，进行仿真Ｉ 图１ Ｐｒｏｔｅｕｓ单片机仿真实验的流程图 ２．２ 使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件绘制含有单片机芯片 的电路 在单片机仿真实验平台上，使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件绘 制与原有的单片机最小系统实验板硬件一样的原理 图，单片机最小系统仿真电路如图２所示。 图２单片机最小系统Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真电路 ２３编译汇编或Ｃ语言源程序 在ＷＡＶＥ或Ｋｅｉｌ环境中进行源程序设计、编 辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（＋． ｈｅｘ）。操作过程如图３所示。 第１０卷第３期 高立新：基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的单片机仿真实验 图３在ＷＡＶＥ环境中编译调试 ２Ａ下载目标代码文件到Ｐｒｏｔｅｕｓ图中的单 片机芯片 在Ｐｒｏｔｅｕｓ里建立设计好的电路，首先要进行目 标代码加载和设置晶振频率。将鼠标指向单片机 Ｕ１，右键单击，再左键单击，则弹出如图３所示的 “Ｅｄｉｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ”对话框，在“Ｐｒｏｇｒａｍ Ｆｉｌｅ”框中输 入它的目标代码文件（＋．ｈｅｘ），在“Ｃｌｏｃｋ Ｆｒｅｑｕｅｎ— ｃｙ”框中输入晶振频率１２ ＭＨｚ，左键单击“ＯＫ”按 钮即完成操作。如图４所示。 图４下载编译生成的文件到单片机 ２５执行单片机仿真 点击运行按钮，进行仿真，显示仿真结果，如图 ５所示。 图５仿真实验结果 ２．６硬件验证 利用原有的硬件实验设备对Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真实验 的设计进行验证。按照Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真通过的设计来 安装的实际硬件系统，只要安装正确、元器件无误， 焊接牢靠，都能得到相同的实验结果。 ３基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的电子线路及单 片机器件混合电路仿真实验 Ｐｒｏｔｅｕｓ是一种功能强大的电子设计自动化软 件，不仅能提供单片机的仿真，还能提供对模拟电路 仿真、数字电路仿真以及与单片机器件混合电路的 仿真。 使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件绘制单片机ＤＤＳ信号发生器 电路，如图６所示，此电路中含有模拟电路、数字电 路及单片机器件。 图６含有模拟电路、数字电路及单片机器件的 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真电路 在ＷＡＶＥ或Ｋｅｉｌ环境中进行源程序设计、编 译、调试，下载编译生成目标代码文件到Ｐｒｏｔｕｅｓ图 中的单片机芯片，进行仿真。Ｐｒｏｔｅｕｓ图中单片机芯 片输出ＤＤＳ正弦波数字信号，经过ＤＡＣ０８３２数字／ 模拟转化，转化成离散的正弦波模拟信号，再经过滤 波和放大，输出连续的正弦波信号，在虚拟示波器上 显示仿真结果，如图７所示。 图７虚拟示波器上显示仿真波形 ４基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真实验的效果 ４．１ 基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真实验的优点 基于Ｐｒｏｔｕｅｓ软件的单片机仿真实验平台投入 使用后，单片机应用、单片机接口技术等课程的实 验，单片机应用实习等的实训，使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件快 速建立单片机电路，进行单片机仿真。基于Ｐｒｏｔｅｕｓ 软件的单片机仿真实验不再局限于原单片机实验板 ３２ 常州信息职业技术学院学报 ２０１１年６月 的硬件电路，如可以将原单片机实验板中的３个发 光二极管快速方便地开展到８个，也可以将原来的 数码管显示更新为液晶显示等。提高学生的综合设 计单片机外围接口电路的能力，同时方便下载编写 的程序到仿真的单片机芯片中，及时显示修改程序 带来的变化。 学生在大学生电子设计竞赛中使用Ｐｒｏｔｅｕｓ单 片机仿真，便于设计复杂的单片机外围接口电路，编 写正确的程序，实现强大的电路功能。同时，明显降 低作品的开发时间并降低开发成本。 ４．２基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真实验不足之处 由于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件是外国开发的软件，在国内常 用的一些芯片，器件库中并非全部都有，在实际设计 仿真中经常需要用近似产品来替代，造成了开发设 计当中的不便。例如常用的ＡＤＣ０８０９没有仿真模 型，只能用ＡＤＣ０８０８的仿真模型来代替。又如传 感器的器件模型几乎没有，在仿真时，只好用滑动变 阻器来替代。 Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真实时性比较差。例如数码管动态 显示时，Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真显示的发光二极管的余辉效应 与实际硬件电路中发光二极管的余辉效应不一致， 造成在Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真中稳定的显示数据，在实际硬件 电路中仍闪烁，需要再次调整单片机程序中的延时 时间，才能达到稳定的显示效果。 由于Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真与实际硬件工作结果仍然有 一定的差距，同时，在实物实验过程中，元件参数分 散性、误差和干扰等现象客观存在，需要在实物实验 中去体会和掌握。所以Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真仅仅是单片机 教学和单片机电路设计中的重要辅助手段，单片机 电路及程序正确与否，最终仍需要有硬件电路的 测试。 ５ 结束语 利用Ｐｒｏｔｅｕｓ进行单片机仿真实验，不仅可以弥 补实验仪器和元器件缺乏带来的不足，而且排除了 原材料消耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快、 更好地掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理 解，弥补课堂理论教学的不足。学生通过仿真实验， 可以熟悉单片机系统的开发方法，这对进一步培养 学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能 力具有重要意义。该方案目前在国内高校具有较高 的推广利用价值。 参考文献： ［１］李学礼．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的单片机实验室建设［Ｊ］． 单片机及嵌入式系统应用，２００５（９）：５－６． ［２］房惠龙．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机实验平台的创建［Ｊ］． 常州信息职业技术学院学报，２００７，１２（６）：１５．１７． ［３］Ｐｒｏｔｕｅｓ中国公司．ＰＲＯＴＥＵＳ实验室建设方案［ＥＢ／ ＯＬ］（２００８－０９－０２）．ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｗｉｎｄｗａｙ．ｃｎ／ｈｔｍｌ／ ＰＤＦ／ＰＲＯＴＥＵＳ． ［４］安新艳．Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真技术在单片机教学中的应用［Ｊ］． 常州信息职业技术学院学报，２００８，７（１）：２８．３０． ［５］李海鲲．Ｐｒｏｔｅｕｓ在单片机课程设计中的应用［Ｊ］．电脑 知识与技术，２００６，６（６）：１９６．１９７． ［６］ 岳东海．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的虚拟实验室在实践性教学中 的应用［Ｊ］．常州信息职业技术学院学报，２００７，６ （３）：４７＿４９． ［７］ 邓小武，王栋，李勇．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机软硬件实 时动态仿真［Ｊ］．工业控制计算机，２００７（５）：２４．２５． ［８］仝庆华．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ单片机虚拟实验室［Ｊ］．山西大 同大学学报：自然科学版，２００９（２）：２３－２５．
