Proteus与Keil在单片机开放性实验中的应用

虚拟仪器技术电子测量技术ELECT RON IC M EASU REM ENT T ECH N OLOGY 第31卷第6期2008年6月Proteus与Keil在单片机开放性实验中的应用伍冯洁1谢陈跃1谢斌2(1.广州大学实验中心广州510006;2.成都理工大学工程技术学院乐山614007)摘要:本文针对单片机开放性实验存在的不足,提出了在实践环节引入EDA技术的新方法。

利用P ro teus在软件环境对单片机系统进行建模,采用K eil完成对系统软件的编制与调试,通过P rot eus与K eil对搭建的虚拟系统进行联合仿真,实现了脱离实物电路的软硬件仿真与调试,较大降低了设计难度与开发成本。

具体阐述了开放性实验新方案的开展与组织形式,并以一个具体的设计实例说明其设计流程。

关键词:单片机;开放性;Pro teus;Keil;虚拟仿真中图分类号:T P391.9文献标识码:AApplication of Proteus and Keil on opened experiment of microcontrollerWu Fengjie1Xie Chenyue1Xie Bin2(b oratory Center of Guangzh ou U nivers ity,Guan gzhou510006;2.C ollege of Engineering T ech nical,Chen gdu U nivers ity of T echnology,Les han614007)Abstract:T he paper presents a new metho d that bring s EDA technolog y into practice aim ing to the sho rtag e in the o pened ex periment of M CU.It uses Pr oteus to mo del M CU system and K eil to compile and debug the system so ftwa re. T hroug h insulting Pro teus and K eil,it finishes the united simulat ion of the v irtual sy stem.T he simulated and debugg ed o f softw are and ha rdwar e o ut o f r eal cir cuit ar e achieved,the desig n diff iculty and pr ice ae also reduced.T he paper int roduces the for m of o rganizatio n and implement abo ut the new scheme o f o pened experiment in detail,and takes a detail sample to ex plain its design process.Keywords:micro contro ller;o pening;P roteus;K eil;v irtual simulatio n0引言单片机是一门实验实践环节比较多的课程,一般而言,教学任务内的实验课时数往往不能满足学生的实际需要[1],对不少学生而言,学完了该课程往往对实际操作一知半解,有的甚至只停留在理论上。

为了有效地解决上述提到的问题,开展了单片机实验开放性教学。

主要包括2种开放形式:(1)学生在实验课上没有完成的实验内容,或对做过的实验存在疑问,以及想试做教学任务外的实验项目等;(2)出于对单片机的兴趣,或在原有单片机学习的基础上,在老师的指导下,自己动手,完成单片机系统的设计、焊接、编程、调试及分析等工作。

实践表明,在进行单片机开放性实验时,存在一些亟待解决的问题。

目前,由于软件需要基于硬件电路进行调试,当软件程序写入硬件电路后,如果电路工作不正常甚至无法工作,则难以断定问题所在。

由于硬件电路的焊接质量及设计方案的未定性,在查找原因时,往往无从下手,不少学生只能根据自己所掌握有限的知识,或凭观察现象,或凭感觉,把他们认为错误的电路或元器件插拔、焊接,如此不断重复,导致整个电路越来越难以实现。

从软件方面寻找原因时,由于软件编译后只能查出语法错误,却不能保证在硬件电路正确的前提下,是否能够实现系统的预期功能,因此,软件的修改只能靠编程者平时的积累及逻辑严密性。

做开放性实验的学生平时实践机会不多,在调试程序时,容易把程序修改得面目全非。

其次,由于开放性实验是课外活动,学校投入少,学生通过不断拆悍元器件进行系统调试的方法,容易造成资源的浪费,增加设计成本。

此外,有些学生因为经费不足或在市场上买不到某器件,而放弃一些有创新、更实用的设计等等。

上述表明,需要采取一种新的开放性实验方案,保证学生课外实验长久、有效的开展下去,以调动学生学习单片机的积极性,开阔学生的课外学术活动空间,提高学生的单片机动手能力。

1开放性实验新方案提出前面已讨论过,目前不少学生在进行单片机开放性实验时往往因现有实验条件和实验手段的局限性,导致实验伍冯洁等:Proteus与Keil在单片机开放性实验中的应用第6期中止。

经过认真调研和实验论证,提出了一种开展单片机开放性实验的新方法,拟利用计算机软件仿真技术充分仿真单片机系统工作情况,用构建的虚拟单片机系统代替实际硬件电路,程序运行于虚拟的MCU上,使软件调试不再依赖硬件电路,等仿真结果达到系统预期效果后,再进行硬件实物制作[2]。

本文采用了一款能模拟单片机的EDA软件))) Proteus,并结合目前广泛使用的一款51单片机开发平台)))Keil,联合利用它们的仿真功能,使学生尝试脱离实物电路进行软硬件调试,从而减少系统设计与开发难度,更可避免重复劳动。

Prot eus是一款电路分析与实物仿真软件,运行于W indow s操作系统上,具有实验资源丰富、实验周期短、硬件投入少、实验过程损耗小、与实际设计接近程度大等优点[3]。

除了具有其他EDA工具的原理布图、PCB自动或人工布线、电路仿真等功能外,Prot eus最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真,可直接在单片机虚拟系统上对M CU编程,并可对软件源代码进行实时调试[4]。

同时,它具有电路互动仿真功能,通过动态外设模型,如键盘、LE D/LCD等,可实时显示系统输入、输出结果,以实现交互仿真,或配合Prot eus配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,使单片机虚拟系统实现预期的实验效果。

K eil L Vision2是德国Keil公司开发的一款关于8051系列MCU的开发工具,它支持汇编、C语言及混合编程,是一种集成化的文件管理编译环境,可用来编译程序源码、链接和重定位目标文件和库文件、创建H EX文件、调试目标程序等。

Keil L V ision2具有强大的仿真功能,可不接硬件电路直接进行用户程序仿真,也可利用硬件仿真器(用M onitor51协议,需硬件支持),通过连接单片机硬件电路,在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真调试[5]。

在实际应用中,Keil L Vision2的软件仿真功能往往不能满足程序调试的要求,而硬件仿真功能又经常会受到一定限制。

基于此,可将Keil L Vision2与Proteus结合起来,充分利用各自优越的仿真功能,使单片机的软硬件调试更方便、有效。

2开放性实验的组织与开展开放性实验项目的开展主要包括以下3个方面。

(1)资料收集及方案初步确定老师给学生下达设计任务后,指导学生利用学校的有效教学资源,如图书馆、网络、课本等,收集项目相关资料并整理。

学生根据收集的资料及项目的设计需要,自行制定总体设计方案,包括编程软件与仿真软件的选型、单片机的选型、编程语言的选择、硬件总体框图及软件总流程图的制定等。

这里,选择Keil作为软件编制与仿真软件,Proteus作为系统硬件调试与仿真平台。

(2)软硬件系统设计与仿真根据系统硬件总体框架,以模块化的方式设计具体电路,包括电子元器件的选型、参数确定及连接方式等,并用Proteus软件画出硬件电路图,作为单片机系统仿真的虚拟硬件电路。

同样地,根据各硬件电路模块需实现的功能进行软件设计,包括软件主程序及子程序流程图的绘制、程序的编写与调试、功能的实现与完善等。

硬件电路设计的完成与调通,及软件程序的编写与仿真成功后,需要将两者结合起来调试与仿真,以组成一个完整的单片机系统,并检验它的正确性与可行性。

Proteus 与K eil互调前,需要对它们进行一些必要的设置,具体设置将在下面的/开放性实验应用实例分析0详细介绍。

(3)项目总结与完善单片机系统的软硬件部分联合调试与仿真成功后,需整理和完成一些相关文档,如开发文档等技术文档的撰写与修改、程序代码的导出与打印、项目开发的总结性文档等。

尝试对现有系统某部分功能或某个参数进行修改,以进一步完善系统,或开始着手制作该单片机系统的实物,为Prot eus构建的虚拟系统提供更有力的论证。

3开放性实验应用实例分析下面是一个开放性实验项目实例,要求用单片机实现奏乐,同时用液晶显示歌名。

3.1电路原理图设计根据设计要求,通过市场调研、资料查阅,制定了整体设计方案:单片机选用8051,该款单片机的资源完全能满足设计需求,学生对它也比较熟悉;液晶显示采用内置KS108液晶显示控制驱动器的128@64图形点阵模块;选用一个喇叭实现奏乐,接P3.1口;选用一个按钮控制系统启动,接P3.0口;同时包括系统时钟电路和复位电路。

系统硬件原理图如图1所示。

第31卷电子测量技术图1硬件原理图3.2系统软件设计系统软件程序设计采用模块化,主要包括主程序、键盘扫描子程序、液晶显示子程序、奏乐子程序及延时子程序[7]。

系统启动并完成初始化后,进入无限等待状态。

当检测到有键按下时,先利用延时子程序消除按键抖动,如确定是按键抖动,则继续等待,如确定是有键按下,则发出控制信号,通过P3.1口控制喇叭发声,实现凑乐,同时在液晶屏幕上显示相应的歌曲名称。

软件开发在Keil平台上进行,主要完成程序源代码的编写、编译与调试工作,在使用该软件时,需进行一些相关设置,如选择单片机型号、生成文件格式等。

3.3Pr oteu s与Ke il联合仿真为了尽快排查系统的软硬件错误,使整个单片机系统实现预期功能,最直接而有效的方法是对系统进行软硬件联调,即Proteus与Keil联合仿真。

在Proteus与Keil互调前,需进行以下设置[8]:(1)把Proteus安装目录的\M odels\VDM51.dll文件复制到Keil 安装目录的\C51\BIN中;(2)修改Keil安装目录下的TOOLS.ini文件,在[C51]一栏加入TDRV5=BIN\ VDM51.DLL(/Protues VSM M onitor-51Driver0)并保存,T DRV5不唯一,可根据原字段选用一个不同的数值,引号内的内容仅起注释作用;(3)进入Prot eus,选中Debug 菜单项Use Remote Debug Monit or;(4)打开Keil uVision2的Project菜单项Options for Target-奏乐与显示项目.,在Debug选项栏右上角U se选项右边的下拉框中,选中Proteus VSM Monit or-51Drive项,并点击右边的按钮进行设置,因本文是单机联调,则只需设置H ost为127.0.0. 1,Port为8000即可。