1 引言

現(xiàn)在，人們生活中的每個(gè)角落都有嵌入式設(shè)備的存在，比如數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、TV機(jī)頂盒及掌上電腦等等。這些嵌入式設(shè)備多采用32位RISC嵌入式處理器作為核心部件。其中基于ARM核的嵌入式處理器獨(dú)占鰲頭，在32位RISC處理器中占據(jù)超過(guò)75%的市場(chǎng)份額。ARM核嵌入式處理器通常采用C語(yǔ)言編程，目前ARM公司的開(kāi)發(fā)工具ADS、RealView以及Keil與ARM核處理器結(jié)合較好，得到了廣大嵌入式學(xué)習(xí)者的一致認(rèn)可。

在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)中，嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)是必不可少的。其中資源少的開(kāi)發(fā)平臺(tái)便宜但功能較少，資源多的開(kāi)發(fā)平臺(tái)又價(jià)格不菲，這對(duì)廣大的嵌入式愛(ài)好者無(wú)疑是個(gè)障礙。然而，有沒(méi)有在不增加甚至降低開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)還能進(jìn)行同樣或更好的開(kāi)發(fā)呢？本文介紹的Proteus軟件就是一個(gè)可以完全脫離硬件平臺(tái)來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行虛擬開(kāi)發(fā)的利器，可以說(shuō)是嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一次革命。

1 Proteus簡(jiǎn)介

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，是一個(gè)電子設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和創(chuàng)新平臺(tái)，涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的全部功能。其革命性的功能是將電路仿真和微處理器仿真進(jìn)行協(xié)調(diào)，直接在基于原理圖的虛擬原型上進(jìn)行處理器編程調(diào)試，并進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過(guò)動(dòng)態(tài)器件（如電機(jī)、LED、LCD、開(kāi)關(guān)等），配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器（如示波器、邏輯分析儀等），可實(shí)時(shí)看到運(yùn)行后的輸入輸出的效果，其主要特點(diǎn)如下：

(1)可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，其支持Pillips公司系列的ARM（LPC系列），Proteus的仿真是基于SPICE3F5的，因此它也能像其它的EDA軟件那樣進(jìn)行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號(hào)分析、頻率分析等等；

(2)提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、電表、Virtual Terminal等虛擬儀器儀表供選擇；

(3)能夠進(jìn)行SCH(原理圖)和PCB（印刷板）電路的設(shè)計(jì)；

(4)其自身只帶匯編編譯器，不支持C語(yǔ)言。但可以將它與Keil、ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語(yǔ)言編寫的程序編譯好之后，可以立即進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，達(dá)到很好的仿真效果。

2 Proteus環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

Proteus和PROTEL、EWB等軟件相似，繪制原理圖都要先從器件庫(kù)里取出所需的元器件符號(hào)并在繪圖區(qū)布局好，同時(shí)編輯好元件的參數(shù)，接著進(jìn)行連線，添加必要的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等步驟。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例說(shuō)明如何使用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)ARM（以LPC2124為例）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。實(shí)例以 LPC2124控制器為核心，與L297、L298組成步進(jìn)電機(jī)控制器，添加必要的外圍電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。

2.1 電路原理圖的設(shè)計(jì)

運(yùn)行Proteus VSM的ISIS后出現(xiàn)如圖1所示的主窗口界面，點(diǎn)擊“File”—“New Design”新建一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。接下來(lái)就是在其中所需的添加元器件了，點(diǎn)擊元器件添加按鈕會(huì)彈出“Pick Devices”對(duì)話框，在其中選擇需要添加的元器件，添加到器件列表區(qū)中。然后再依次點(diǎn)擊列表區(qū)里的元器件，把它們放到繪圖區(qū)并編輯其屬性，接著進(jìn)行合理的布局之后，就可以進(jìn)行連線了。與PROTEL類似，Proteus也具有自動(dòng)捕捉節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)布線功能，連線時(shí)當(dāng)鼠標(biāo)的指針靠近一個(gè)對(duì)象的引腳時(shí)，跟著鼠標(biāo)的指針就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“×”提示符號(hào)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可畫(huà)線，在終點(diǎn)再點(diǎn)擊確認(rèn)一下就完成一段導(dǎo)線，所有導(dǎo)線畫(huà)完后，點(diǎn)擊電源按鈕，添加必要的電源和接地符號(hào)，并編輯其屬性后，原理圖的繪制就完成了，如圖2所示。

圖2 電路原理圖

2.2 程序代碼的編寫

程序代碼的編寫主要分四個(gè)部分進(jìn)行：

(1) LPC2124的初始化代碼；

(2) LPC2124異常向量入口及異常向量與C語(yǔ)言代碼的接口，包括初始化堆棧的代碼；

(3) LPC2124目標(biāo)板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標(biāo)板初始化程序；

(4) 根據(jù)我們實(shí)例要求，結(jié)合原理圖，編寫實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的代碼，即通常的執(zhí)行代碼，代碼文件保存為“main.c”。

通常，為了節(jié)省開(kāi)發(fā)者的時(shí)間，通常把這些文件保存在一個(gè)文件夾里，暫且把文件夾命名為“l(fā)pc2124模塊”，這樣在以后的程序代碼編寫時(shí)就可以直接調(diào)用這個(gè)模塊，再根據(jù)不同的要求改寫“main.c”就行了，而不必要又重新編寫這些程序，節(jié)省了大量時(shí)間，大大提高了工作效率。

這里主要說(shuō)明“main.c”的編寫，要實(shí)現(xiàn)的功能是用LPC2124控制器、LP297、L298組成的步進(jìn)電機(jī)控制 器，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，原理圖中可以看到各元器件引腳的連接，圖中還設(shè)置了七個(gè)電壓探針，用數(shù)字圖表顯示各電壓節(jié)點(diǎn)的電平隨時(shí)間變化的曲線。KEY鍵控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（KEY鍵按下則電機(jī)反轉(zhuǎn)）。程序流程圖如圖3所示。根據(jù)程序流程圖編寫好執(zhí)行代碼文件“main.c”。

圖3 程序流程圖

圖4 ADS編譯環(huán)境窗口

2.3 仿真

文中采用ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的編譯連接設(shè)置，ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成開(kāi)發(fā)工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2支持ARM10以前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試，支持匯編、C和C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

打開(kāi)ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeWarrior IDE，點(diǎn)擊Project→New Project建立一個(gè)新的工程lcd.mcp，把以上編好的代碼文件全部添加進(jìn)工程，如圖4所示。進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后，選擇Project→Make命令，編譯并連接工程，生成stepper.hex文件。

在原理圖中右擊微控制器LPC2124，再單擊，出現(xiàn)一屬性設(shè)置窗口Edit Component，如圖5。在其中的Program File中添加上面生成的stepper.hex文件的路徑，單擊OK完成設(shè)置。

點(diǎn)擊原理圖左下角

中的運(yùn)行按鈕

，即開(kāi)始仿真運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖6所示。數(shù)字圖表顯示各電壓節(jié)點(diǎn)的電平值隨時(shí)間變化的曲線，步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)行，按下KEY鍵電機(jī)反轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 器件編輯窗口

圖6 仿真結(jié)果圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出，用Proteus軟件進(jìn)行ARM虛擬開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)所在。使用Proteus進(jìn)行ARM的虛擬開(kāi)發(fā)，不僅可以減少實(shí)驗(yàn)硬件資本的投入，還突破了實(shí)際開(kāi)發(fā)板中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的局限性，使開(kāi)發(fā)者能夠充分發(fā)揮自身的主動(dòng)性。使用Proteus仿真，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。筆者相信隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展、完善，基于軟件的硬件虛擬開(kāi)發(fā)的應(yīng)用將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

[1].RISCdatasheethttp:///datasheet/RISC_1189725.html.
[2].PCBdatasheethttp:///datasheet/PCB_1201640.html.
[3].LPC2124datasheethttp:///datasheet/LPC2124_844644.html.
[4].L297datasheethttp:///datasheet/L297_442958.html.
[5].L298datasheethttp:///datasheet/L298_442929.html.