摘 要： 以LED電子顯示屏的仿真設(shè)計(jì)為例，論述了應(yīng)用Proteus仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從虛擬樣機(jī)到物理樣機(jī)的新型設(shè)計(jì)方法和過程，并在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了Proteus、集成開發(fā)環(huán)境IDE、上位計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件間的聯(lián)合仿真和調(diào)試。
關(guān)鍵詞： 仿真技術(shù)；Proteus；仿真設(shè)計(jì)；聯(lián)合調(diào)試

仿真技術(shù)是信息時(shí)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)。對(duì)電子產(chǎn)品而言，Proteus是目前功能最強(qiáng)的仿真技術(shù)。四年來，我們?cè)趪?guó)內(nèi)率先致力于Proteus仿真技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用研究。以它為新手段成功為數(shù)家企業(yè)研發(fā)了“LED電子顯示屏”、“純水機(jī)控制板”、“微電腦防盜報(bào)警器”、“紅外熱釋電感應(yīng)器”等電子產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品從虛擬樣機(jī)到物理樣機(jī)（實(shí)際產(chǎn)品）的新型設(shè)計(jì)方法與過程。并在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了Proteus、集成開發(fā)環(huán)境IDE、上位計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件間的聯(lián)合仿真和調(diào)試。實(shí)踐證明：Proteus仿真技術(shù)明顯提高了設(shè)計(jì)效率、縮短了設(shè)計(jì)周期、節(jié)約了設(shè)計(jì)成本、提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，是促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變革的重要新技術(shù)。
1 電子產(chǎn)品的Proteus仿真技術(shù)
Proteus是英國(guó)Labcenter公司研發(fā)的EDA，是目前最先進(jìn)的電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)交互仿真、PCB設(shè)計(jì)的平臺(tái)。它真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖與電路設(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)證到形成PCB制板圖的完整仿真設(shè)計(jì)(虛擬樣機(jī))過程。Proteus有超過5萬個(gè)元件模型，近5 000個(gè)封裝模型；特別是有51、PIC、AVR、68、ARM7等系列單片機(jī)（嵌入式系統(tǒng)）的仿真模型，并提供了功能強(qiáng)大的虛擬實(shí)驗(yàn)室（虛擬示波器、虛擬邏輯分析儀、虛擬信號(hào)源等）和高級(jí)圖表仿真（ASF）[1，2]。Proteus還提供了自建元器件模型的條件[4-6]。
Proteus擁有Motorola、Philips、Microchip、索尼、三洋、美的、格力等眾多企業(yè)用戶；擁有斯坦福（Stanford）、劍橋（Cambridge）、香港理工、清華、上海交通等數(shù)千所大學(xué)用戶[3]。
本文以LED電子顯示屏為例論述基于Proteus仿真技術(shù)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)變革。
2 “LED電子顯示屏”系統(tǒng)方框圖與Proteus仿真設(shè)計(jì)過程
2．1 “LED電子顯示屏”系統(tǒng)功能方框圖
如圖1所示，系統(tǒng)功能包括6部分。上部分為顯示部分，是安裝在國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)慈溪邁思特電子科技有限公司大廳中的產(chǎn)品照片；有靜止和左移顯示功能。單片機(jī)控制部分為其核心。PC機(jī)字符輸出系統(tǒng)和串口電路完成對(duì)屏顯內(nèi)容的更新。“人體紅外線熱釋電感應(yīng)器”實(shí)現(xiàn)屏前有行人則顯，無行人則停顯功能。本文主要討論電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制、LED顯示和通信輸字等部分的仿真設(shè)計(jì)。

2．2 Proteus仿真設(shè)計(jì)過程
圖2表示了電子產(chǎn)品系統(tǒng)的Proteus仿真設(shè)計(jì)過程，共分為6步。前4步都在計(jì)算機(jī)PROTEUS設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行。若“虛擬樣機(jī)仿真、聯(lián)合調(diào)試和性能測(cè)試”的結(jié)果未達(dá)目標(biāo)，則可返回再仿真設(shè)計(jì)。滿意后，點(diǎn)擊Proteus工具欄中按鈕 (高級(jí)布線編輯系統(tǒng))進(jìn)入PCB板設(shè)計(jì)；PCB板3D仿真符合要求后，送PCB制板廠制板，再安裝成物理樣機(jī)。

3 Proteus ISIS電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、編譯（匯編）
啟動(dòng)Proteus ISIS，先在ISIS編輯區(qū)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。設(shè)計(jì)電路后點(diǎn)擊“電氣檢測(cè)鈕”對(duì)電路進(jìn)行電氣檢測(cè)。電路設(shè)計(jì)無誤后，可直接在Proteus中進(jìn)行單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。Proteus提供了在ISIS窗口中編寫源程序、匯編生成目標(biāo)代碼文件的匯編器（ASEM51），也可使用集成開發(fā)環(huán)境IDE(例Keil、MPLAB)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。圖3右側(cè)表示了Proteus程序設(shè)計(jì)情況。在“源程序編輯區(qū)”中設(shè)計(jì)電子屏程序后，點(diǎn)擊“匯編命令”可生成目標(biāo)代碼文件。然后雙擊單片機(jī)，打開其屬性欄，設(shè)置晶振頻率，并將目標(biāo)代碼文件加載于單片機(jī)中。點(diǎn)擊“仿真按鈕”，則進(jìn)行仿真，仿真片段如圖4所示。

ISIS界面與其操作詳看參考文獻(xiàn)[1]、[6]。
4 虛擬樣機(jī)的Proteus仿真、聯(lián)合調(diào)試和性能測(cè)試
4．1 虛擬樣機(jī)的Proteus聯(lián)合仿真
通過Proteus設(shè)計(jì)的電路、程序加上由計(jì)算機(jī)VB語言設(shè)計(jì)的LED電子屏輸字系統(tǒng)等構(gòu)成“電子屏”系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。電子屏輸字系統(tǒng)可由另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）通過串行接口與進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)合調(diào)試；而應(yīng)用虛擬串口已在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了仿真和聯(lián)合調(diào)試。這給調(diào)試帶來了極大的方便。一臺(tái)計(jì)算機(jī)加一個(gè)人便可高效、高質(zhì)、高速進(jìn)行有上位計(jì)算機(jī)參與的仿真設(shè)計(jì)。圖4即為在同臺(tái)筆記本電腦上實(shí)現(xiàn)仿真中聯(lián)合調(diào)試的情況。圖4下中方為筆記本電腦聯(lián)合仿真和調(diào)試時(shí)的實(shí)物照片。這里，虛擬樣機(jī)的仿真和聯(lián)合調(diào)試包括單片機(jī)源代碼級(jí)仿真調(diào)試(左上方)和與上位計(jì)算機(jī)電子屏輸字系統(tǒng)的仿真通信調(diào)試（左下方和右下方）。
4．2 仿真過程中的聯(lián)合調(diào)試
在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)打開電子屏仿真設(shè)計(jì)與VB輸字系統(tǒng)。點(diǎn)擊 啟動(dòng)Proteus仿真，則看到電路運(yùn)行狀態(tài)、顯示狀態(tài)。若啟動(dòng)VB輸字系統(tǒng)，則可進(jìn)行VB“發(fā)送”和單片機(jī)“接收”的通信仿真。圖4表示仿真中顯示“仿真”兩字，稍后左移顯示，如此循環(huán)。點(diǎn)擊 則進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，如圖4所示。可進(jìn)行全速、單步、過程單步及設(shè)置斷點(diǎn)的運(yùn)行并進(jìn)行代碼級(jí)調(diào)試。在調(diào)試過程中不僅可觀察各存儲(chǔ)器、寄存器單元情況，還可看到系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電平狀態(tài)（以顏色方塊表示：紅為高電平、藍(lán)為低電平）和顯示結(jié)果。這正是Proteus動(dòng)態(tài)交互式實(shí)時(shí)仿真的突出之處。當(dāng)輸字系統(tǒng)與單片機(jī)通信時(shí)，也可在VB代碼窗口進(jìn)行逐語句、逐過程測(cè)試，也可設(shè)置斷點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試，并可在電子屏仿真設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器窗口中觀察輸入數(shù)據(jù)的正確性，用以判斷VB程序的正確性。即進(jìn)行VB輸字系統(tǒng)與電子屏仿真設(shè)計(jì)的聯(lián)合調(diào)試。因電路及兩種程序代碼都可根據(jù)調(diào)試情況進(jìn)行修改及重新編譯(匯編)，元件及其參數(shù)也可隨時(shí)修改，且能在仿真中看到元件、連接點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、過程和極為接近實(shí)際的結(jié)果，所以設(shè)計(jì)周期短、效率高、開銷少、質(zhì)量好，并能激發(fā)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新的熱情。
4．3 仿真過程中的測(cè)試
Proteus有功能很強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，包括眾多的虛擬儀器、電源、信號(hào)源、探頭等，還有可作精密測(cè)量、分析的高級(jí)圖表仿真（ASF）。這些都為仿真設(shè)計(jì)（電路、程序）的正確性及物理樣機(jī)的質(zhì)量提供了保障。例如用高級(jí)圖表進(jìn)行時(shí)序掃描、分析，這對(duì)電子屏的正確、優(yōu)質(zhì)工作非常重要。將電壓探針連接到需要測(cè)量的掃描行引線上，并拖入ASF中即可[1-2]。圖5左邊對(duì)LINE0～LINE15行掃描線加上探針，右邊是對(duì)應(yīng)的16條行掃描的ASF時(shí)序圖表。用ASF提供的光標(biāo)可測(cè)得掃描正脈沖寬度均為1.02 ms，脈沖間均有0.05 ms寬的消影低電平。符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，不會(huì)產(chǎn)生串顯及不穩(wěn)定現(xiàn)象。仿真結(jié)果和實(shí)際產(chǎn)品都證實(shí)了此結(jié)果。若時(shí)序不對(duì)，則可根據(jù)圖表仿真指導(dǎo)對(duì)程序、電路等進(jìn)行修改調(diào)試。

5 PCB板的Proteus設(shè)計(jì)及3D仿真
仿真調(diào)試正確后可直接點(diǎn)擊ISIS工具欄中按鈕進(jìn)入Proteus ARES，進(jìn)行電路板PCB設(shè)計(jì)。ARES集成了自動(dòng)布局和基于形狀的高效撤銷/重試自動(dòng)布線器，也可手工布線。它還提供PCB設(shè)計(jì)板的3D仿真視圖，可縮放或正、反全方位轉(zhuǎn)動(dòng)觀察，使得在制板前便可預(yù)覽PCB板的情況，若有不滿意之處，則可實(shí)時(shí)修改，從而減少時(shí)間、人力、資金的浪費(fèi)。圖6上方為Proteus設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制部分雙面PCB圖，中部為其PCB 3D仿真視圖。

6 物理樣機(jī)（實(shí)際產(chǎn)品）制作
可直接將PCB板圖文件送PCB制板廠制板，并安裝成單片機(jī)控制部分的物理樣機(jī)（控制板）。圖6下方為安裝成功的實(shí)物控制板照片。從圖6看出它與PCB 3D仿真視圖一一對(duì)應(yīng)。該板已用于電子屏實(shí)際產(chǎn)品中。圖1上方即是該電子屏實(shí)際運(yùn)行的照片。

參考文獻(xiàn)
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[2] 張靖武，周靈彬.單片機(jī)原理、應(yīng)用與Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008，8(注：2010.1第三次印刷).
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