采用Proteus和Keil仿真調試實現單片機系統(tǒng)的軟硬件設計

1 概述

隨著半導體技術的飛速發(fā)展，以及移動通信、網絡技術、多媒體技術在嵌入式系統(tǒng)設計中的應用，單片機從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注。單片機功能越來越強大，價格卻不斷下降的優(yōu)勢無疑成為嵌入式系統(tǒng)方案設計的首選，同時單片機應用領域的擴大也使得更多人加入到基于單片機系統(tǒng)的開發(fā)行列中，推動著單片機技術的創(chuàng)新進步。

然而傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)開發(fā)除了需要購置諸如仿真器、編程器、示波器等價格不菲的電子設備外，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行聯(lián)調，如果在調試過程中發(fā)現需修改硬件，則要重新制板。因此無論從硬件成本還是開發(fā)周期來看，其高風險、低效率的特性顯露無遺。來自英國Labcenter Electronics公司的Proteus軟件很好地詮釋了利用現代EDA工具方便快捷開發(fā)單片機系統(tǒng)的優(yōu)勢。它包括PROTEUS VSM（Virtual System Modelling）、PROTEUS PCB DESIGN兩大組成部分，在PC機上就能實現原理圖電路設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證以及形成PCB文件的完整嵌入式系統(tǒng)設計與研發(fā)過程。本文講述PROTEUS VSM單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真功能，圖2為基于PROTEUS仿真軟件的單片機系統(tǒng)設計流程，它極大地簡化了設計工作，得到眾多設計師的青睞。

2 基于Proteus的單片機系統(tǒng)設計與仿真

Proteus支持51、PIC、AVR、ARM7等多個系列的單片機芯片，集編輯、編譯、仿真調試于一體。它的界面簡潔友好，可利用該軟件提供的數千種數字/模擬仿真元器件以及豐富的仿真設備，使得在程序調試、系統(tǒng)仿真時不僅能觀察到程序執(zhí)行過程中單片機寄存器和存儲器等內容變化，還可從工程的角度直觀地看到外圍電路工作情況，非常接近工程應用。另外Proteus還能與第三方集成開發(fā)環(huán)境（如Keil的μVision）進行聯(lián)合仿真調試，給予開發(fā)人員莫大便利。本設計以51單片機構成的99秒馬表為例描述基于Proteus的硬件設計、基于Keil C的軟件設計以及它們的聯(lián)合仿真調試過程。

2.1 硬件設計

2個七段數碼管顯示馬表時間，用51單片機的P1口驅動；按鍵SP掛在外部中斷0的I/O口上，第1次按下表示開始運行，第2次按下為計時停止，第3次按下重新歸零；擴展程序存儲器27256、數據存儲器62256主要是緣于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII下的應用程序設計，片內存儲空間有限，同時也方便擴展。

圖3 基于Proteus的馬表系統(tǒng)原理圖

根據以上分析，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，先從元件庫中取出所需的元件并在繪圖區(qū)布局好，設置元器件屬性，接著進行連線，添加必要的網絡標示等，最后完成電氣檢測。圖3為馬表電路原理圖。

圖4 程序流程圖

2.2 軟件設計

隨著嵌入式系統(tǒng)應用不斷擴大，功能不斷增強，為了對整個系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調、指揮和有效控制，使開發(fā)人員只專注于應用程序設計，在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)是非常必要的。μC/OSII是源碼公開的實時多任務操作系統(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)的用戶程序設計。根據馬表系統(tǒng)功能，設計兩個任務： 任務1為數碼管顯示，調用系統(tǒng)延時函數實現馬表的運行；任務2為按鍵判斷，屬于中斷級任務，通過按鍵啟動/停止/重置馬表。數碼管顯示和按鍵判斷任務之間用信號量實現通信；其中按鍵任務發(fā)出信號量，數碼管顯示任務負責接收信號量。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*/

OSSemCreate（）;/*創(chuàng)建信號量*/

OSStart（）;/*多任務啟動*/

……

}

任務1

Task1（） {

…

for（;;） {

……

Display（0）;/*顯示0*/

OSSemPend（）;/*等待信號量*/

for（;;）{

……

Run_Display（）;/*馬表運行*/

OSSemPend（）;/*等待信號量*/

……

}

for（;;）{

……

Stop_Display（）;/*馬表停止*/

OSSemPend（）;/*等待信號量*/

……

}

}

}

任務2

Int0（） interrupt 0 {

EX0=0;/*關中斷*/

OSSemPost（）;/*發(fā)出信號量*/

EX0=1;/*開中斷*/

}

2.3 系統(tǒng)聯(lián)調

在Proteus硬件電路圖和Keil C程序設計完成之后，接著進行聯(lián)合仿真。此時需要對Proteus和Keil兩個軟件進行簡單的配置。同時打開電路仿真圖和C工程文件，在Keil中啟動調試“DebugStart/Stop Debug Session”，并運行DebugGo，此時Proteus仿真被Keil啟動，在Keil和Proteus中都可以觀察運行狀態(tài)。程序運行后，可看到數碼管顯示情況，當按下按鍵，數碼管顯示作相應切換。

結語

基于Proteus電路設計、Keil程序設計以及它們聯(lián)合仿真調試的方法，建立了單片機系統(tǒng)硬件設計、軟件設計以及調試的全虛擬環(huán)境，使得全部的設計工作基于PC就能完成，顯著提高了設計開發(fā)效率，降低開發(fā)風險，這對嵌入式方案設計無疑是一個很好的思路。