单片机虚拟实验系统构建的研究

《单片机虚拟实验系统构建的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机虚拟实验系统构建的研究（13页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、目 录摘要1前言21 单片机传统实验系统与虚拟实验系统的比较21.1 单片机传统实验系统的特点21.2 单片机虚拟实验系统的特点21.3 单片机实验系统的选择方案32 单片机虚拟实验系统构建软件32.1 Proteus软件介绍32.1.1 Proteus软件的组成32.1.2 Proteus软件的特点42.1.3 Proteus软件的工作界面42.2 Keil软件介绍52.2.1 Keil软件的组成52.2.2 Keil软件的特点52.3 Proteus与Keil软件的双向选择53基于Proteus与Keil单片机虚拟实验系统的实现63.1 Proteus与Keil进行联合仿真的设置63.2

2、Keil软件中的联合仿真设置63.3 Proteus与Keil联合仿真调试方法74 单片机虚拟实验系统实例84.1 交通灯实验电路图84.2 实验原理及目的85 开发过程中的问题96 结论9谢辞10参考文献11单片机虚拟实验系统构建的研究汪亮摘要：本文探讨的单片机虚拟实验系统主要采用单片机实验软件Proteus与Keil软件构成。通过比较单片机虚拟实验系统与传统实验系统各自的特点，可以看出构建虚拟实验系统的优点。通过对单片机虚拟实验系统软件Proteus和Keil的介绍，以及与其他单片机实验软件的比较，得出两者相互选择构建单片机虚拟实验系统的方案。通过分析单片机虚拟实验系统实例，详细分析了联合

3、仿真调试的步骤，Keil软件与Proteus软件的设置，从而更加了解单片机虚拟实验系统的特点和构建。论文最后分析了单片机虚拟实验系统存在的不足，提出了单片机虚拟实验系统网络化多媒体化的发展方向。关键词：单片机；虚拟；Proteus；KeilThe Study of Single Chip Computer Virtual System BuildingWANG LiangAbstract：This paper proposes a scheme of building single chip computer laboratory based on the Proteus and Keil s

4、oftware. It introduces the features and functions of the Proteus and Keil software, and shows the method of how to use it to realize the design and simulation of single chip microcontroller circuit system. It solves the problems of capital shortage for traditional single chip labs and the difficulty

5、 in equipment maintenance to a certain extent. It puts forward the feasibility of using Proteus and Keil to build Virtual laboratory and introduces its application in electronic technology by analyzing an application example. Key words: single chip computer；virtual；Proteus；Keil前言现代科技和计算机技术的迅速发展，促进了计

6、算机技术在软件和硬件上的飞速发展，利用计算机软件的虚拟仿真技术，出现一种基于仿真软件构建虚拟实验系统的方案，虚拟实验系统是指应用虚拟现实技术来仿真实际实验的计算机应用系统。如果将计算机软件的虚拟仿真技术应用于单片机仿真实验，将所有元件由软件构成，就可以建立一个本文所研究的单片机虚拟实验系统。当前单片机虚拟试验系统主要利用Proteus与Keil软件构建，这两个软件功能十分强大，它弥补了单片机传统试验系统中的某些不足，给我们单片机教学带来更多的方便。1 单片机传统实验系统与虚拟实验系统的比较1.1 单片机传统实验系统的特点传统的单片机实验利用一些大公司已经做好的实验箱，根据其提供的实验教材和程序

7、，进行搭线的验证性的实验。在这种实验箱中，具体的电路图我们看不到，试验箱的结构本身也不了解，因而这种传统的实验系统对于学生的创造性设计能力来说并没有起到真正的作用。传统的单片机实验系统制约了同学们开发设计一个单片机系统的积极性。当我们真正设计一个单片机系统的时候，如果采用传统的实验教学方法，需要购置的设备比较多，做实验学生们就必须要去实验室，学生自己焊接电路可能出错，还有试验设备损耗及不安全因素等等。学生们对系统由哪些模块组成、各个模块的具体组成电路、采用什么样的元件和芯片，如何进行连接等问题从传统的单片机实验系统中很难掌握。1.2 单片机虚拟实验系统的特点采用单片机虚拟实验系统具有比较明显的

8、优势，如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。单片机虚拟实验系统提供了包括电子技术、电工学和微处理器在内的虚拟实验平台，具有很高的系统性和集成性，具有良好的发展前景。内容全面。其能实验的内容包括软件部分的汇编、C51等语言的调试过程，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，因此采用虚拟实验系统进行实验，克服了用单片机实验箱中硬件电路固定、不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展同学们的思路和提高同学们的学习兴趣。硬件投入少，经济优势明显。虚拟实验系统所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，

9、同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的。如果在实验中投入这样的真实的仪器仪表，仅从仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行试验，其经济优势是比较明显的。实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题。采用虚拟实验系统进行的实验教学，则不存在上述的问题，其在实验的过程中是比较安全的。与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程。在进行课程设计或进行大实验的时候，可以具体的在虚拟实验系统中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，了解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。1.3 单片机实验系统的选择方案虚拟实验

10、系统只需要一台电脑就可以在实验室、机房，甚至学生宿舍进行实验，不受实验条件、时间、场地的限制，可以反复修改程序，同时看到程序执行的结果。构建虚拟实验系统不仅弥补了硬件资源的投入不足，而且克服了实验箱教学中固定硬件资源导致实验内容固定的局限性，可使大量单片机实验在虚拟环境中实现。学生自行设计与工程接近的项目可以先在软件环境中模拟通过，再将其最后移植到一个具体的硬件电路，既让学生了解将仿真软件与具体工程如何结合起来，有利于对工程实践的了解和学习，培养实际动手能力，同时也解决了因方案不正确所造成的硬件投入的浪费从而节省硬件资源。因此，基于这些优点，本文将提出基于Proteus与Keil构建的单片机虚

11、拟实验系统的方案。通过此方案的研究，来避免传统实验系统所带来的各种缺陷，培养同学们在单片机学习中判断、分析和解决实际问题的能力。2 单片机虚拟实验系统构建软件2.1 Proteus软件介绍2.1.1 Proteus软件的组成Proteus是由英国Lab center Electronics在1989年开发的EDA软件，它不仅具有其他EDA工具的仿真功能，还能仿单片机及外围器件。目前该软件在全球拥有众多用户，如HP、ST、AD、SONY、Panasonic等一些知名公司，也包括像剑桥大学、斯坦福大学等许多大学用户，广泛用于这些院校的大学或研究生电子学教学与实验中。世界著名电子杂志电子世界(EWW

12、)曾将Proteus软件评为最好的单片机及外围器件的仿真软件。因而在本虚拟实验系统中作为仿真软件。目前，Proteus的最新版本为Proteus7.3。 Proteus软件按其主要功能划分为三个部分：智能原理图输入系统ISIS(Intelligent Schematic Input System)；虚拟系统模型VSM(Virtual System Modeling)；高级布线编辑软件ARES(Advanced Routing and Editing Software)。Proteus的模块结构如图2-1所示。图2-1 Proteus模块结构图2.1.2 Proteus软件的特点Proteus可

13、以完成从原理图设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试及功能验证到生成PCB的整个开发过程。Proteus提供Schematic Drawing，SPICE仿真与PCB设计功能，这一点与Multisim和Protel比较类似，可以完成质量精美达到直接出版水平的原理图和PCB版图。同样它还提供了丰富的虚拟工具，如示波器、逻辑分析仪、RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件等，用户借助这些虚拟工具可以直接观察电路系统的硬件结果。Proteus功能上最卓越的改进是可以直接仿真CPU及外围电路。它支持目前主流的单片机类型有:68000系列、8051系列、A

14、VR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列，符合单片机软件仿真系统的标准。它支持的外围设备包括373，led，示波器等。这种仿真能力是Multisim等仿真软件望尘莫及的。目前Wave、Keil、Dubug、MPLAB和MedWin等软件可演示具体的执行过程，但只是侧重于算法的验证。Proteus在编译方面支持Keil等软件，可以根据虚拟仪器的结果直接进行源代码的调试。Proteus结合这些软件进行联合仿真的过程如同利用硬件仿真器和其他测试仪器直接进行硬件开发，可以给用户带来直接的硬件开发经验。2.1.3 Proteus软件的工作界面Proteus IS

15、IS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图2-2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。图2-2 Proteus ISIS的工作界面2.2 Keil软件介绍2.2.1 Keil软件的组成Keil是德国开发的一个51系列单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台。Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。它集编辑、编译、仿真、调试于一体，界面友好，易学

16、易用，因而作为本系统开发软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。Keil的Vision2可以进行纯粹的软件仿真(仿真软件程序，不接硬件电路)；也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件系统，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真；还可以使用Vision2的内嵌模块Keil Monitor-51，在不需要额外的硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真。uVision2调试器具备所有常规源极调试，符号调试特性以及历史跟踪，代码覆盖，复杂断点等功能。DDE界面和s

17、hift语言支持自动程序测试。Keil目前最新版本是C51 Version 8. 12。2.2.2 Keil软件的特点目前可供选用的51系列开发软件有很多种，如国产的有Wave、MedWin、TKStudio、Dais、AEDK等，国外的有Keil、Aspier、Silicon Laboratories及IAR等。Keil软件相比其他软件主要具有以下特点：具有全功能的源代码编辑器，支持汇编、PLM和C程序设计。器件库可以用来配置开发工具设置，支持目前广泛采用的单片机系统有8051系列、PIC系列、HC11系列、AVR系列等。项目管理器可以用来创建和维护用户的项目；方便用户进行项目管理。集成的M

18、AKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用。所有开发工具的设置都是对话框形式的；可视化界面方便用户操作。真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器。高级GDI（AGDI）接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。2.3 Proteus与Keil软件的双向选择Proteus也可以写程序，但只能是汇编语言，而且它带的编辑器太弱。除非设置成其它编辑器用。假如不用Proteus 也不用仿真器件，单独用Keil也能够仿真各端口的输入输出。例如在网上下载ledkey.dll 和simboard.dll插件，这些插件就像一个简单的实验板，安装到Keil软件的c51bin 文件夹中

19、即可分别仿真灯管实验和键盘实验。这对一些简单的仿真还可以，总体仿真没有PROTEUS来的灵活，它需要的插件找不到就必须用PROTEUS来仿真。Proteus在设计的时候已经注意到和各种单片机编译程序的整合了，如它可以Keil 、MPLAB 等软件结合使用。Keil是目前比较优秀的51单片机的汇编和C 语言的开发工具，具备功能强大的软件仿真和硬件仿真(需硬件支持) 功能，把这两个软件结合起来用，调试软硬件就非常方便。Proteus和Keil IDE之间，通过VDM(Virtual Debug Monitor)协议通讯实现源码级的调试(Debug)。两者相结合，在Keil uVision3中调用P

20、roteus ISIS Professional进行MCU外围器件的虚拟仿真，实现在不使用真正开发板的情况下，通过Keil对该仿真电路进行源码级的Debug。Keil与Proteus的整合调试可以实现系统的总调，在该虚拟实验系统中，Keil作为软件调试界面，Proteus作为硬件仿真和调试界面。3基于Proteus与Keil单片机虚拟实验系统的实现3.1 Proteus与Keil进行联合仿真的设置Proteus和Keil联合使用有两种方法，一种是离线联合，另一种是在线联合。所谓离线联合是指两者相互独立工作，先通过Keil编辑、修改、编译源程序并生成HEX文件，然后再运行Proteus ISIS

21、，将HEX文件与原理图中的MCU进行绑定即可，这种方法很简单，本文主要研究的是在线联合。由于网上Proteus和Keil软件版本很多，各版本联合的方法不一样，下面以Proteus6.7与KeilV2.12版本软件说一下的软件安装的设置。首先安装Proteus与Keil，然后把ProteusMODELS目录下VDM51.dll文件复制到Keil安装目录下的C51BIN目录中。再用记事本修改Keil安装目录下Tools.ini文件，在C51字段加入TDRV5=BINVDM51.DLL (Proteus VSMMonitor-51 Driver )，保存文件并关闭记事本，完成安装过程。在现联合仿真还

22、要进行一些设置，下面以一个简单的实例来展示一个Keil与Proteus联合仿真的设置过程。如图3-1所示，打开Proteus，完成整个电路图的绘制。图3-1循环彩灯综合实验3.2 Keil软件中的联合仿真设置进入KeilC Vision2开发集成环境，创建一个新项目(Project)，并为该项目选定合适的单片机CPU器件（如：Atmel公司的AT89C51）。在该项目加入Keil源程序。同样一个电路图也可以进行多个源程序的调用，如在循环彩灯综合实验中，我们可以分别进行指令循环延时和定时器中断延时的实验。这样节省了我们画电路图过程中的时间。Keil设置如下：单击“Project菜单/Option

23、s for Target”选项或者点击工具栏的“option for target”按钮，弹出窗口，点击“Debug”按钮，出现如图3-2所示页面。图3-2 Keil联合仿真设置在出现的对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中“Proteus VSM Monitor一51 Driver”。并且还要点击一下“Use”前面表明选中的小圆点。再点击“Setting”按钮，设置通信接口，在“Host”后面添上“127.0.0.1”。如果使用的不是同一台电脑，即进行远程仿真，则需要在这里添上另一台电脑的IP地址(另一台电脑也应安装Proteus)，在“Port”后面添加“8000”，这样可以在一台机器上运行K

24、eil，另一台中运行Proteus，远程仿真不在本篇论文研究的范围之内。设置好点击“OK”按钮即可。最后将工程编译，进入调试状态，并运行。通过这一步，我们完成整个联合仿真的的设置。3.3 Proteus与Keil联合仿真调试方法在Proteus的debug菜单中选中Use Remote Debug Monitor，此处选中才可以和Keil联合仿真，以后打开程序这地方就不用再设置了。如图3-3所示。图3-3 Proteus联合仿真设置单击仿真运行开始按钮，我们能清楚地观察到每一个引脚的电频变化，红色代表高电频，蓝色代表低电频。也可以在Keil中进行debug，同时在Proteus中查看直观的结果

25、。这样就可以像使用仿真器一样进行单步和全速调试了，并且在Proteus里可以观测实验结果，跟单击仿真运行开始按钮效果一样。4 单片机虚拟实验系统实例4.1 交通灯实验电路图交通灯实验是单片机实验中一个比较典型的实验，在本实验中，我们模拟这样一个实验过程，首先初始态两个路口的红灯全亮，之后东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮，东西方向通车，延时一段时间后东西路口绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，再切换到东西路口方向，重复上述过程。具体实验电路图如图4-1所示。图4-1 交通灯实

26、验图4.2 实验原理及目的在这个实验中我们主要熟悉扩展并行I/O口的方法，用到P0口的数据传输功能，P0和P2寻址功能，以及P3口中P3.6的第二功能。扩展并行I/O口的方法主要有两种：一是采用单片机专用的扩展I/O接口芯片，如8155、8212、8255等；二是利用通用三总线扩展三态门等接口。当应用系统需要扩展的I/O口数量较少，且功能单一时一般采用锁存器三态门等集成电路芯片构成简单的I/O口。依次扩展简单并行口选择器件的原则是输入三态，输出锁存。只要根据此原则，在很多应用系统中，采用74系列TTL电路或4000系列MOS电路芯片，即能组成简单的扩展I/O口，将并行数据输入或输出。常用8位三

27、态缓冲器74LS244组成输入口，采用8D锁存器74LS273、74LS373、74LS377组成输出口。本实验采用8D锁存器74LS273作为输出口，利用P0和P2分别作为低八位和高八位寻址端，通过或门连接到在8D锁存器CLK端，CLK端为高电频时跟随D端状态，而在CLK端变为低电频的瞬间锁存信号的D触发器，从而完成输出。MCS-51单片机把外扩I/O口和片外RAM统一编址，每个扩展的接口相当于一个扩展的外部RAM单元，访问外部接口就像访问外部RAM一样，用的都是MOVX指令，并产生 （RD或WE）信号。用 RD/WE 作为输入/输出控制信号。5 开发过程中的问题本文在研究Proteus与K

28、eil软件特点的基础上，提出了构建虚拟实验室的整体思路，对一些关键性的技术问题进行了有益的探索和尝试。鉴于个人目前理论和实践的水平以及时间方面的因素，今后还需要在以下一些方面进一步地研究和完善：在设计过程中，系统只是对一些常用的芯片进行了仿真，一方面虚拟器件库有待进一步扩充，另一方面需要对一些内部逻辑更复杂的器件进行分析。虚拟实验室的网络化、多媒体化是未来发展的方向，建立一个多人协作的虚拟实验室，有利于促进交流与合作，降低教育成本。而本系统联合仿真中没涉及到多台电脑之间，例如用一台电脑作服务器，实验室其他电脑作客户端的远程联机仿真，在前面构建的过程中，我们其实发现远程联合仿真在Proteus中

29、只需设置相应的IP地址是可以实现的，以后可在这方面做进一步的探索研究。6 结论通过本系统的研究我们已经发现Proteus与Keil构建单片机虚拟实验系统优点，但是虚拟实验是不可能代替实物实验，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，这需要在实物实验中去体会和掌握。主张实验教学采用软件仿真技术并不否定传统的实物实验，毕竟我们真正应用的是实实在在的元器件。并且虚拟仿真也存在一些不可避免的缺陷，如国内常用的一些芯片器件库中有的没有，传感器的器件模型还很少，实时性比较差等。关键问题是将虚拟与现实有机融合到一起，采取先学会实物实验的基本操作，然后转向以这两种软件为主的虚拟仿真设计当中，仿

30、真成功后，如果需要，再回到实物中实现，这样可以大大提高成功率，并能有效减少不必要的损失。因此提倡实验内容“虚”、“实”交替、互为补充的原则，将仿真软件与具体的工程实践结合起来，只有这样才能更加发挥单片机虚拟实验系统的优势。谢 辞至此论文即将付梓之际，谨向所有关心我学业的老师、同学及朋友表示衷心的感谢！衷心感谢叶尔江老师的谆谆教诲和悉心指导。他渊博的知识、严谨的治学态度、学术上积极创新的开拓精神和事业上的锐意进取的执着精神都令我永生难忘。论文的选题、研究的撰写都倾注了他无私关爱。作者在学习和毕业设计中所取得的每一点成绩、每一点进步无不浸透着他的心血。在此谨向尊敬的叶尔江老师致以最诚挚的谢意。在整

31、个论文的选题、研究和撰写过程中，也要感谢我的同学，他们提出的许多宝贵的意见和建议使我受益匪浅，他们提供的许多资料给予我很大的帮助，在此我向他们表达我真诚的谢意。感谢计算机与信息工程学院各位老师给予我的关心和帮助。感谢在百忙之中为本文审稿的各位老师！感谢在计算机与信息工程学院和你们一起度过的美好时光！参考文献：1 马正强. 单片机虚拟实验室的建立J.单片机与嵌入式系统应用,2005,(20).2 李刚，李斌勤. 利用PROTEUSVSM建立单片机虚拟实验室J. 重庆电力高等专科学校学报，2005，(9).3 刘映群. Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室J.中国现代教育装备，2005

32、，(8).4 汪宁. Proteus软件的单片机仿真方法J. 山东轻工业学院学报，2007，(3).5 韩清涛,张丽娟. 利用Proteus软件拓展单片机虚拟实验J. 韶关学院学报，2007(3).6 代启化. Proteus在单片机电路系统设计中的应用J. 自动化与仪器仪表，2006，(6).7 郑建华. 单片机虚拟实验系统构建的研究J. 福建电脑，2007，(3).8 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).9 彭小峰，雷李，张里. 基于Proteus和Keil的整合构建单片机虚拟实验室J. 重庆工学院学报，2007，(4).