采用Proteus和Keil仿真調(diào)試實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

1 概述

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，以及移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，單片機(jī)從4位、8位、16位到32位，其發(fā)展歷程一直受到廣大電子愛好者的極大關(guān)注。單片機(jī)功能越來越強(qiáng)大，價(jià)格卻不斷下降的優(yōu)勢(shì)無疑成為嵌入式系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的首選，同時(shí)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大也使得更多人加入到基于單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)行列中，推動(dòng)著單片機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步。

然而傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)除了需要購(gòu)置諸如仿真器、編程器、示波器等價(jià)格不菲的電子設(shè)備外，開發(fā)過程也較繁瑣。如圖1所示，用戶程序需要在硬件完成的情況下才能進(jìn)行聯(lián)調(diào)，如果在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)需修改硬件，則要重新制板。因此無論從硬件成本還是開發(fā)周期來看，其高風(fēng)險(xiǎn)、低效率的特性顯露無遺。來自英國(guó)Labcenter Electronics公司的Proteus軟件很好地詮釋了利用現(xiàn)代EDA工具方便快捷開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。它包括PROTEUS VSM（Virtual System Modelling）、PROTEUS PCB DESIGN兩大組成部分，在PC機(jī)上就能實(shí)現(xiàn)原理圖電路設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證以及形成PCB文件的完整嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)過程。本文講述PROTEUS VSM單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真功能，圖2為基于PROTEUS仿真軟件的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，它極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，得到眾多設(shè)計(jì)師的青睞。

2 基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

Proteus支持51、PIC、AVR、ARM7等多個(gè)系列的單片機(jī)芯片，集編輯、編譯、仿真調(diào)試于一體。它的界面簡(jiǎn)潔友好，可利用該軟件提供的數(shù)千種數(shù)字/模擬仿真元器件以及豐富的仿真設(shè)備，使得在程序調(diào)試、系統(tǒng)仿真時(shí)不僅能觀察到程序執(zhí)行過程中單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器等內(nèi)容變化，還可從工程的角度直觀地看到外圍電路工作情況，非常接近工程應(yīng)用。另外Proteus還能與第三方集成開發(fā)環(huán)境（如Keil的μVision）進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，給予開發(fā)人員莫大便利。本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)構(gòu)成的99秒馬表為例描述基于Proteus的硬件設(shè)計(jì)、基于Keil C的軟件設(shè)計(jì)以及它們的聯(lián)合仿真調(diào)試過程。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2個(gè)七段數(shù)碼管顯示馬表時(shí)間，用51單片機(jī)的P1口驅(qū)動(dòng)；按鍵SP掛在外部中斷0的I/O口上，第1次按下表示開始運(yùn)行，第2次按下為計(jì)時(shí)停止，第3次按下重新歸零；擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器27256、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256主要是緣于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII下的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，片內(nèi)存儲(chǔ)空間有限，同時(shí)也方便擴(kuò)展。

圖3 基于Proteus的馬表系統(tǒng)原理圖

根據(jù)以上分析，選取的元器件有：AT89C51、4位7段譯碼顯示器、74LS373、27256、62256、按鍵及電阻電容等。Proteus繪制原理圖和Protel軟件相似，先從元件庫(kù)中取出所需的元件并在繪圖區(qū)布局好，設(shè)置元器件屬性，接著進(jìn)行連線，添加必要的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示等，最后完成電氣檢測(cè)。圖3為馬表電路原理圖。

圖4 程序流程圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷擴(kuò)大，功能不斷增強(qiáng)，為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和有效控制，使開發(fā)人員只專注于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)是非常必要的。μC/OSII是源碼公開的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具備足夠的穩(wěn)定性和安全性，特別適合用于中小型嵌入式系統(tǒng)中。

Keil公司的Keil μVision3，是目前使用最為廣泛的開發(fā)環(huán)境之一。這里介紹在Keil μVision3環(huán)境下基于μC/OSII嵌入式操作系統(tǒng)的用戶程序設(shè)計(jì)。根據(jù)馬表系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)兩個(gè)任務(wù)： 任務(wù)1為數(shù)碼管顯示，調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)馬表的運(yùn)行；任務(wù)2為按鍵判斷，屬于中斷級(jí)任務(wù)，通過按鍵啟動(dòng)/停止/重置馬表。數(shù)碼管顯示和按鍵判斷任務(wù)之間用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)通信；其中按鍵任務(wù)發(fā)出信號(hào)量，數(shù)碼管顯示任務(wù)負(fù)責(zé)接收信號(hào)量。程序流程如圖4所示。部分程序清單如下：

主程序

main（） {

……

8051init（）;/*CPU初始化*/

OSInit（）;/*操作系統(tǒng)初始化*/

OSTaskCreate（）;/*創(chuàng)建任務(wù)*/

OSSemCreate（）;/*創(chuàng)建信號(hào)量*/

OSStart（）;/*多任務(wù)啟動(dòng)*/

……

}

任務(wù)1

Task1（） {

…

for（;;） {

……

Display（0）;/*顯示0*/

OSSemPend（）;/*等待信號(hào)量*/

for（;;）{

……

Run_Display（）;/*馬表運(yùn)行*/

OSSemPend（）;/*等待信號(hào)量*/

……

}

for（;;）{

……

Stop_Display（）;/*馬表停止*/

OSSemPend（）;/*等待信號(hào)量*/

……

}

}

}

任務(wù)2

Int0（） interrupt 0 {

EX0=0;/*關(guān)中斷*/

OSSemPost（）;/*發(fā)出信號(hào)量*/

EX0=1;/*開中斷*/

}

2.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

在Proteus硬件電路圖和Keil C程序設(shè)計(jì)完成之后，接著進(jìn)行聯(lián)合仿真。此時(shí)需要對(duì)Proteus和Keil兩個(gè)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置。同時(shí)打開電路仿真圖和C工程文件，在Keil中啟動(dòng)調(diào)試“DebugStart/Stop Debug Session”，并運(yùn)行DebugGo，此時(shí)Proteus仿真被Keil啟動(dòng)，在Keil和Proteus中都可以觀察運(yùn)行狀態(tài)。程序運(yùn)行后，可看到數(shù)碼管顯示情況，當(dāng)按下按鍵，數(shù)碼管顯示作相應(yīng)切換。

結(jié)語(yǔ)

基于Proteus電路設(shè)計(jì)、Keil程序設(shè)計(jì)以及它們聯(lián)合仿真調(diào)試的方法，建立了單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及調(diào)試的全虛擬環(huán)境，使得全部的設(shè)計(jì)工作基于PC就能完成，顯著提高了設(shè)計(jì)開發(fā)效率，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)嵌入式方案設(shè)計(jì)無疑是一個(gè)很好的思路。