proteus在《微机原理》 教学中的应用

1、 郑州科技学院 微型计算机原理课程设计 题 目 proteus在微机原理 教学中的应用 学生姓名 冯 强_ 专业班级 11级计科一班_ 学 号 201115004_ 所 在 系 信息工程学院_ 指导教师 王 清 珍_ 完成时间 2013 年 12 月 13 日_ 目 录1引言.32 课题背景及意义 .33 proteus软件介绍.54 proteus 在理论教学中的应用.75 proteus 在实践教学中的应用.106 结束语.147 参考文献.15 附录1.16 附录2.171.引言伴随着 计算 机技术的迅猛 发展 虚拟仿真实验室应运而生，将计算机仿真技术引入电子线路课程设计教学之中，是对传

2、统实践教学和电子电路设计的重大突破。先在计算机上进行虚拟设计、仿真，然后将结果应用到实际电路之中，既降低了设计成本，又缩短了整个设计的周期，从而提高了效率。作为传统实验的重要补充，虚拟实验丰富了实践性教学的手段，有利于 现代 实验教学观念的更新。例如，对于嵌入式系统开发的爱好者而言，往往没有足够的资金购买昂贵的开发板来进行开发，这时可以选择通过软件仿真来 学习 嵌入式系统开发。Proteus 是 目前 最好的能够虚拟嵌入式系统开发中常用的处理器和外围器件的EDA 工具。另外，仿真技术在电子线路课程设计中的应用提高了学生综合 分析 电路的能力和开发设计的能力，为今后更高层次的设计和实践打下基础。

3、 微机原理与应用课程对许多专业来说是一门重要的专业课。目前，国内各高校以8086单片机（为主要内容进行教学。近年来，随着计算机技术的飞速发展，大量高性能、采用新技术的嵌入式系统CPU的面世，给传统的单片机教学带来冲击，对微机教学方法的改进提出了新的课题。本文通过对单片机教学改革的思考，分析单片机实验教学中存在的弊端，提出了一种新的实验教学方法，在实验环节中引入了EDA技术，以新款的EDA软件Proteus为平台，设计一套符合世道需要的实验系统。全文针对整个实验系统，首先介绍了作为实验系统软件平台的Proteus，叙述其功能，分析选择其作为软件平台的可行性和优越性。接着，详细地介绍proteus

4、在理论教学中的应用和Proteus在实践教学中的应用，最后，对全文进行总结。2.课题背景及意义 1970年微处理器研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片的微型计算机）。1971年美国的INTEL公司生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年9月INTEL公司的MCS-48单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了多次更新换代，其发展速度大约每两三年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番。单片机发展速度之快、应用范围之广以达到了惊人的地步，他已渗透到生产和生活的各个领域，应用非常广泛。尽管目前单片机的品种很多，但其中最典型性的当属INTEL公司的MCS-5

5、1系列单片机系列。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位单片机，但其功能有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此51系列单片机应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在，MCS-51仍不失为单片机的主流机型、MCS-51系列单片机主要包括8031、8086和8751等产品，具有结构紧凑、裸机位操作功能丰富和直接面向控制的指令系统等优势，堪称一代“名机”。随着半导体技术的飞速发展，51系列单片机的处理速度更快，性能更优越，在工业控制领域上占据十分重要的地位。现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在智能仪表、家用

6、电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都能扮演着非常重要的角色。单片机的设计开发具有广阔的前景，估计近10年内8位的单片机将仍然是主流机型，其设计也是嵌入式产品开发的基础。所以，单片机的学习十分重要。在许多院校的教学实践中总会有人提出与“微机原理及应用”课程特点，寻求一种能较好地培养学生能力的教学方法是每一位任课教师迫切关注的问题。现在各学校的单片机实验教学一般分为两种：验证性实验教学和综合设计性实验教学。但是这两种实验教学方式中都存在了诸多缺陷。各大电子生产厂家纷纷涉足学校的验证性实验教学领域，推出了先进、智能、完善的实验设备，并配备了详尽的使用说明书及实验讲义，这样表面上实验

7、设备的先进与否体现了学校的实验水平，但是对学生来说，实验设备越是智能，学生的动手和动脑的深度及广度就越小，而且，实验教学板有教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，对扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣方面收效甚微。传统的实验教学中，忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养，则很少涉及到。学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。 因此，近年来学校中普遍提倡在实验教学中加入综合性设计实验，让学生们通过来选定自己感兴趣的题目，查找大量的文献资料，再对多种方案进行比较及筛选，选择一到两种较为完善的设计方案，进行硬件电路的搭建和软件的设计，通过观察

8、和分析，完成整体电路的设计。这种方法确实能够扩展学生的思路和提高学生的动手能力、实验设计能力及学习兴趣，也取得了一定的成绩。但是这种设计性实验也存在着许多弊端，有的题目由于种种原因，根本无法实现。为了克服上述两种实验教学方法的缺点，很多高校都提出用EDA技术进行电路的设计与实现。EDA设计思路是：从元器件的选取到连接、直至电路的调试、分析和软件的编译，都是在计算机中完成，所用的工作都是虚拟的。虽然现在的电路设和软件的编译，都是在计算机中完成，所用的工作都是虚拟的。计软件已经很多，诸如PROTEL、ORCAD、EWB 、Multisim等，不过这些软件之间的差别都不大：都有原理图和PCB制作功能

9、，都能进行诸如频率响应，噪音分析等电路分析，主要用于模拟电路、数字电路、模数混合电路的性能仿真与分析，但对于单片机设计及软件编程，最重要的是两者的联调，这些软件都无法实现，所以造成了单片机系统设计周期长、设计费用高等缺点。2.2 EDA技术的发展 电子设计的核心是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。70年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线

10、，取代了手工操作。80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输人，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。90年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA软件Proteus不仅能满足电子设计的需求，还能满足单片教学中的各种要求。3.PROTEUS 软件简介 PROTEUS软件由Labcenter公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真

11、、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择KEil C51uVision2 软件。该软件支持众多不同公司的芯片，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。 Proteus VSM的核心是ProSPICE，这是一个组合了SPICE3f5模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器的混合的仿真系统, SPICE 内核的使用使您能采用数目众多的供应厂商提供的SPICE 模型, 目前该软件包包含有约6

12、500个模型。Proteus VSM包含大量的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号波型发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计。此外仿真器能通过色点来显示每个管脚的状况，这点在单步调试I/O 码时绝对非常有用。 Proteus VSM最主要的特点是它能把微处理器软件作用论文联盟WWW.LWLM.COM整理在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。微处理器模型和其它器件的模型一道驻留在原理设计中， 它仿真执行目标码， 就像在真正的单片机系统上。如果程序代码向一个外设口写, 电路中逻辑电平会相应变化， 如果电路改变了微处理器管脚的状态， 这些也可以在您的程

13、序代码中看到，如同真实系统一样。 PROTEUS VSM FOR ARM/LPC2000 包含做PHILIPS 公司LPC2000 系列设计仿真所需的一切。支持ARM和THUMB 指令集。支持片上外设：GPIO, timers, RTC, UARTS, SPI, I2C, MAM,PLL, ADC and watchdog timer 等。支持VIC 中断子系统。在3G 的PC 环境下可以做10MIPS 的仿真。可以装载ELF/DWARF2 格式文件进行源码调试。可以利用IAR Embedded Workbench 和KEIlUV3 与PROTEUS 进行联调。这个软件包包括: ISIS 原理

14、图输入系统。PROSPICE 交互式仿真引擎。LPC2000 系列处理器模型。ARM7TDMI 和ARM7TDMIS 内核模型。可以用高级图形仿真工具来做基于图表的仿真。由PROTEUS VSM仿真通过的设计可以直接导入到ARES 中进行PCB 设计。Proteus与其电子仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

15、国内外的很多知名大学已经开始使Proteus作为他们的教学工具，比如Stanford University，University Of California，Cambridge University，Carlisle college，香港理工大学，中山大学，华南理工大学，哈尔滨工程大学等几十所高校。他们一致认为该软件在教学中的应用有很大的帮助，其灵活自主的设计方式使学生更能体验到电子设计的魅力，学生对单片机以及电子设计的兴趣大大提升，知识的掌握和应用当然也有了很大的提高。4.Proteus在理论教学中的应用1、实例引导，激发兴趣 在单片机的入门教学中总会提到单片机在工业控制、智能仪表、家用电器

16、、办公自动化等领域的极为广泛的应用。但是在课堂教学中很难提供具体的实物，容易让学生产生单片机距离生活很遥远的感觉。Proteus软件可以展示单片机的一些应用实例，其自带的大量的例子，如交通控制灯、计算器、国际象棋游戏机等，便于学生看到单片机在实际产品中的应用电路。再通过运行仿真，比如让红、绿、黄交通灯亮起来，让计算器进行各种计算，让国际象棋游戏机进行人机对弈等，可以极大地提高学生学习单片机的兴趣，进而引导他们主动学习单片机知识。教学实践证明，通过Proteus软件展示实例能够收到事半功倍的效果。2、菜单窗口，展示资源 在单片机教学中，单片机的系统资源是一项重要的内容，教师可以借助Proteus

17、软件让学生更深入地了解单片机的系统资源。例如，对于寄存器内容的查看，可以执行在Debug菜单下Registers菜单项命令打开相应的窗口。对于系统内部数据存储器的查看，可以执行debug菜单下的Internal memory菜单项命令打开相应的窗口。对于特殊功能寄存器的查看，同样执行Debug菜单下的SFR memory菜单项命令打开相应的窗口。对于内部程序存储器的查看，还可以执行Debug菜单下的Source code菜单项命令打开相应的窗口查看内部程序存储器中的数据及其汇编代码。在教学中，通过展示这些窗口，可使学生对单片机的存储器结构以及存储方式有更进一步的理解。Proteus 软件所提供

18、了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等，如电阻、电容、二极管、三极管、MOS管，变压器、继电器、各种放大器、各种激励源、各种微控制器、各种门电路、各种终端。对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题，其提供的仪表有：交直流电压表、交直流电流表、逻辑分析仪、计数计时器、信号发生器等，而且Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。Proteus提供了丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试

19、信号包括模拟信号和数字信号等。3、软件编程，电路验证在单片机汇编语言的指令及编程学习中，涉及的内容主要包括对汇编语言中具体指令的执行效果验证、算法的具体实现、程序中语法错误的检查和逻辑错误的验证等内容。在教学中，学生对单纯的理论分析会感到枯燥，教师如果根据课堂内容用Proteus软件编写好指令程序，并充分考虑学生的学习能力配合相应的仿真电路，验证教学中的指令程序，便可以达到预期的教学目的。例如，对于两个16位二进制数的乘法运算R4R5R6R7=R3R4R5R6R7的汇编语言实现。为了直观地验证程序执行的正确性，教师可以提前设计一个能完成数据输入（带显示)和结果输出（带显示)的硬件电路。这样通过

20、仿真的输入数据以及仿真计算的结果显示，就可以验证编写的乘法运算是否正确。再如，在学习汇编程序设计中的循环控制程序时，教师可以使用Proteus软件在Led.asm文件中编写如下的一段程序，并设计相应的电路（如图1），通过全速运行或单步运行调试验证如下程序并进行仿真，电路中的红色指示灯从D1至D8依次循环点亮。在课堂教学中，利用这个设计好的例子可以验证循环控制程序的执行效果、算法的具体实现及程序中的语法和逻辑有无错误。学生通过红色指示灯显示的情况，可形象直观地认识循环控制程序的执行效果，还可以根据现象分析程序中的算法、语法和逻辑有无错误，达到很好的教学效果。5.Proteus在实践教学中的应用实

21、验室或实训场所的建设是各高校学科建设的重点,这在以“工学结合”为指导思想的高职院校显得尤为突出,学生知识的传授很多是在实验室完成的,实践证明这种教学模式具有良好的教学效果,但是也存在一些问题,主要表现在以下两方面:一是电子技术更新换代的时间较短,投入巨资购买的实验器材和实验设备,在经过短短几年的使用之后就有可能由于技术的进步而落后了,从而不得不淘汰;二是有些电子元器件比如某些集成块由于各种原因而损坏,从而不时需要进行补充以维持实验室正常运行。 Proteus是英国一家公司开发的电路仿真软件,该软件功能强大,界面友好,使用方便,可以进行模拟电路、数字电路以及单片机软硬件的联合仿真,也可以进行PC

22、B版图设计,因此受到了许多电子工程师的厚爱,鉴于该软件的突出性能,国内许多高校在教学内容中纷纷加入该软件的使用介绍,有些高校还利用Proteus和Keil51建立单片机虚拟实验室12,降低了实验室运行成本,有兴趣的学生则可以利用该软件提供的功能对自己设计的电路进行验证,所有这些,都为高校电子类专业教学提供了新的思路。采用Proteus 仿真软件进行虚拟实验, 具有比较明显的优势,如涉及到的电子元件丰富、实验 内容 全面、硬件投入少、实验过程中安全、损耗小、与工程实践最为接近等。 5.1电子元件丰富，内容全面 Proteus软件提供了数千种元器件，它能实验的内容包括软件部分的汇编、C 等语言的调

23、试过程,也包括硬件接口电路中的大部分类型。对同一类功能的接口电路, 可以采用不同的硬件来搭建完成, 可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。该软件可以加快电路系统开发的速度，节约开发成本，提高开发效率。 5.2硬件投入少， 经济 优势明显 由于Proteus 软件实验资源库非常丰富，对于从模拟电路、数字电路、模数混合电路到单片机系统等领域都可以进行电路的设计，而且其虚拟元器件的参数都是由实际元器件厂家提供，然后生成SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)模型，这样就可以用Proteus软件中的虚拟元器件代替实际元器件进

24、行设计电路，而无需去购买实际的元器件。这样就可以节省大量的实验经费，减轻了学生们的负担。而且在选题、定方案等方面，也无需再考虑器件的成本问题和购买难度的问题，从而使学生们跟上时代的发展，尽自己最大的能力提出并亲自设计构思较巧妙、设计较新颖、方案较完善的综合设计性实验，充分培养并发挥他们的创新能力，在实验测试与分析方面，Proteus所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的，且根本不需要进行维护。5.3接近实践，提高解决实际工程 问题 的能力 采用仿真软件后, 学习的投入变得比较的小, 而实际工程问题的论文联盟WWW.LWLM.COM整理 研究 , 也可以先在软件环境中模拟通过, 再

25、进行硬件的投入,这样处理, 不仅省时省力, 也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。最后将仿真调试成功的电路移植到一个具体的硬件电路中进行测试。将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来, 利于对工程实践过程的了解和学习。 5.4实验过程中安全，仪器多、损耗小 采用Proteus 仿真软件进行的实验教学,可以将大量教学信息直接地表现出来,节约大量昂贵的实验仪器费用,调动学生的学习积极性和主动性,为实践性教学设计过程带来了很大的灵活性,并且打破了空间和时间的限制,避免真实实验或操作所带来的各种危险,则不存在因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁, 也涉及到仪器仪表等工作时所造成的能源消耗的问

26、题。5.5采用多媒体教学，丰富了实践性教学的 手段 在教学上虚拟实验采用局域网多媒体教学，通过局域网实现教师机对学生机同步演示电路图并讲解其原理，学生根据电路原理图在虚拟实验系统提供的元件库中找到相应的虚拟元件。实验完成后将数据输入到电子实验报告系统中，自动生成实验报告，教师再通过主机将每位学生的实验报告收上来进而完成整个实验教学。5.6 . 实验周期短在Proteus 软件中设计电路可以很方便的判断是硬件错误，还是软件错误，方法如下：运行Proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。通过工具栏中的p命令(从库中选择元件命令)，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，将其

27、放置在合适的位置，然后设置元件参数，当整体硬件电路连接完毕后，点击电路原理图的左下角执行建，如果有错误提示，则说明硬件电路连接有问题，需要对硬件电路进行更改，如果没有错误，则电路可以运行，并且可以在各器件的输入和输出端显示电路运行时，这些端点所处的高低电平状态；然后开始编写程序，在Source菜单的Define Code Generation Tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在Source5.7. 教学实例 ( 1 )在Proteus 软件平台中绘制原理图 Proteus 软件绘制原理图先从软件包的器件库里取出所需的元件符号并在绘图区布局好, 同时编辑好元件的参数

28、, 接着进行连线, 添加必要的 网络 标号等步骤。 (2)编写程序 (一)对于汇编语言，可直接在Proteus软件平台编写、编译程序，再把产生HEX 文件导入到AT89C51中。 (二)也可打开第三方软件Keil Vision3, 新建项目, 选择微处理芯片, 然后编写程序, 编译源程序。产论文联盟WWW.LWLM.COM整理生HEX 文件, 并选中Use Proteus VSM Simulator。该温控电路主要程序如下： DAT BIT P2.0 ;数据通信口 WDLSB DATA 30H ;读出的温度低字节 WDMSB DATA 31H ;读出的温度高字节 MAIN: MOV SP,#6

29、0H MOV P2,#0FFH MOV R2,#8 MOV R0,#40H ; OVER: MOV R0,#00H;清显示缓冲 INC R0 DJNZ R2,OVER MOV TMOD,#21H;T0=16B Counter,T1=8B autoload MOV TH1,#0FDH;串口波特率960011.0592M MOV TL1,#0FDH MOV SCON,#50H;串口方式1: 8,N,1 MOV PCON,#00H MOV TH0,#LOW(65535-10000) MOV TL0,#HIGH(65535-10000) SETB EA SETB ET0 SETB TR1 SETB T

30、R0 LOOP: LCALL DSWD ;调用读出DS18B20温度程序 SJMP LOOP ;读出DS18B20温度程序 DSWD: CLR EA LCALL RSTSNR JNB F0,KEND ;如果没有应答，返回主程序 MOV R0,#0CCH LCALL SEND_BYTE ;跳过ROM匹配 MOV R0,#44H ;发出温度转换命令 LCALL SEND_BYTE SETB EA MOV P1,#00001111B MOV 48H,#1 ;延时75ms以上准备读 SS2: MOV 49H,#255 SS1: MOV 4AH,#255 SS0: DJNZ 4AH,SS0 DJNZ 49H,SS1 DJNZ 48H,SS2 MOV P1,#11111100B CLR EA LCALL RSTSNR JNB F0,KEND MOV R0,#0CCH ;跳过ROM匹配 L