Proteus软件仿真与Keil的单片机系统设计
1 概述
随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。
然而传统的单片机系统开发除了需要购置诸如仿真器、编程器、示波器等价格不菲的电子设备外，开发过程也较繁琐。如图1所示，用户程序需要在硬件完成的情况下才能进行联调，如果在调试过程中发现需修改硬件，则要重新制板。因此无论从硬件成本还是开发周期来看，其高风险、低效率的特性显露无遗。来自英国Labcenter Electronics公司的Proteus软件很好地诠释了利用现代EDA工具方便快捷开发单片机系统的优势。它包括PROTEUS VSM（Virtual System Modelling）、PROTEUS PCB DESIGN两大组成部分，在PC机上就能实现原理图电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证以及形成PCB文件的完整嵌入式系统设计与研发过程。本文讲述PROTEUS VSM单片机系统的PROTEUS设计与仿真功能，图2为基于PROTEUS仿真软件的单片机系统设计流程，它极大地简化了设计工作，得到众多设计师的青睐。
2 基于Proteus的单片机系统设计与仿真
Proteus支持51、PIC、AVR、ARM7等多个系列的单片机芯片，集编辑、编译、仿真调试于一体。它的界面简洁友好，可利用该软件提供的数千种数字/模拟仿真元器件以及丰富的仿真设备，使得在程序调试、系统仿真时不仅能观察到程序执行过程中单片机寄存器和存储器等内容变化，还可从工程的角度直观地看到外围电路工作情况，非常接近工程应用。另外Proteus还能与第三方集成开发环境（如Keil的μVision）进行联合仿真调试，给予开发人员莫大便利。本设计以51单片机构成的99秒马表为例描述基于Proteus的硬件设计、基于Keil C的软件设计以及它们的联合仿真调试过程。
2.1 硬件设计
2个七段数码管显示马表时间，用51单片机的P1口驱动；按键SP挂在外部中断0的I/O口上，第1次按下表示开始运行，第2次按下为计时停止，第3次按下重新归零；扩展程序存储器27256、数据存储器62256主要是缘于嵌入式操作系统μC/OSII下的应用程序设计，片内存储空间有限，同时也方便扩展。
图1 传统的单片机系统设计流程 图2 基于Proteus的单片机系统设计流程
根据以上分析，选取的元器件有：AT89C51、4位7段译码显示器、74LS373、27256、62256、按键及电阻电容等。 Proteus绘制原理图和Protel软件相似，先从元件库中取出所需的元件并在绘图区布局好，设置元器件属性，接着进行连线，添加必要的网络标示等，最后完成电气检测。图3为马表电路原理图。
图3 基于Proteus的马表系统原理图
2.2 软件设计
图4 程序流程图
随着嵌入式系统应用不断扩大，功能不断增强，为了对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和有效控制，使开发人员只专注于应用程序设计，在嵌入式系统中引入操作系统是非常必要的。μC/OSII是源码公开的实时多任务操作系统，具备足够的稳定性和安全性，特别适合用于中小型嵌入式系统中。μC/OSII的具体介绍和移植过程请见参考文献[1]。
Keil公司的Keil μVision3，是目前使用最为广泛的开发环境之一。这里介绍在Keil μVision3环境下基于μC/OSII嵌入式操作系统的用户程序设计。根据马表系统功能，设计两个任务：任务1为数码管显示，调用系统延时函数实现马表的运行；任务2为按键判断，属于中断级任务，通过按键启动/停止/重置马表。数码管显示和按键判断任务之间用信号量实现通信；其中按键任务发出信号量，数码管显示任务负责接收信号量。程序流程如图4所示。部分程序清单如下：
主程序
main() {
……
8051init();/*CPU初始化*/
OSInit();/*操作系统初始化*/
OSTaskCreate();/*创建任务*/
OSSemCreate();/*创建信号量*/
OSStart();/*多任务启动*/
……
}
任务1
Task1() {
…
for(;;) {
……
Display(0);/*显示0*/
OSSemPend();/*等待信号量*/
for(;;){
……
Run_Display();/*马表运行*/
OSSemPend();/*等待信号量*/
……
}
for(;;){
……
Stop_Display();/*马表停止*/
OSSemPend();/*等待信号量*/
……
}
}
}
任务2
Int0() interrupt 0 {
EX0=0;/*关中断*/
OSSemPost();/*发出信号量*/
EX0=1;/*开中断*/
}
2.3 系统联调
在Proteus硬件电路图和Keil C程序设计完成之后，接着进行联合仿真。此时需要对Proteus和Keil两个软件进行简单的配置，具体配置过程见参考文献\[2\]。同时打开电路仿真图和C工程文件，在Keil中启动调试“DebugStart/Stop Debug Session”，并运行DebugGo，此时Proteus仿真被Keil启动，在Keil和Proteus中都可以观察运行状态。程序运行后，可看到数码管显示情况，当按下按键，数码管显示作相应切换。
结语
基于Proteus电路设计、Keil程序设计以及它们联合仿真调试的方法，建立了单片机系统硬件设计、软件设计以及调试的全虚拟环境，使得全部的设计工作基于PC就能完成，显著提高了设计开发效率，降低开发风险，这对嵌入式方案设计无疑是一个很好的思路。
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