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1、第4章 硬件系统仿真技术,计算机仿真就是利用一些专用的仿真软件,建立被仿真系统的模型,对系统的结构、功能、属性、行为,以及进行系统控制的人的思维过程和方式、方法进行比较接近实际的动态模仿,以得到能够指导实践操作的理论依据。 本章主要介绍怎样使用Proteus软件的ISIS设计环境进行计算机控制系统中硬件电路的设计与仿真。,4.1 Proteus软件概述,Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件,他从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,以及PCB设计等方面,真正实现了从概念到产品的完整设计,是一款进行控制系统设计与仿真的不可或缺的软件
2、工具。 Proteus软件具有两个主要设计环境:ISIS和ARES。ISIS为智能原理图输入系统,是系统设计与仿真的基本平台;ARES为高级PCB布线编辑软件,主要用于PCB的设计。 本章主要介绍ISIS编辑环境,以及在此环境中怎样进行原理图设计与系统仿真。,Proteus ISIS软件的主要特点有以下几方面: 具有强大的原理图绘制功能。Proteus软件提供了30 多个元件库,数千种元件,元件涉及到数字、模拟、交流和直流等,同时支持用户自己建立新的元件库。 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真等功能;可进行RS232动
3、态仿真;具有I2C调试器、SPI调试器,具有键盘和LCD仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等;还可以针对步进电机、伺服电机、直流电机、无刷直流电机等控制对象进行仿真。 支持各主流单片机系统的仿真。 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境,如Keil C51 uVision2等软件。,4.2 Proteus ISIS设计界面,将软件安装完成之后,根据图4.1选择:“开始”“程序”“Proteus 7 Professional
4、”“ISIS 7 Professional”,出现如图4.2所示画面,即可进入Proteus ISIS集成环境。,图4.2 Proteus ISIS启动画面,4.2.1 基本界面介绍,Proteus ISIS原理图设计界面及界面当中各部分内容如图4.3所示,主要包括:标题栏、主菜单、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、图形编辑窗口等。,4.2.2 常用基本工具,工具栏中常用工具如表4.1所示,共38个,分别对应主菜单中相应功能,主要用于原理图文件的基本操作、设计环境的设定及原理图设计等。 绘图工具栏中常用工具如表4.2所示
5、,共15个,主要用于变换模式、拾取元件、添加标注、放置导线、选择仿真工具、添加虚拟仪表等。 系统还提供了2D图形模式图标按钮,如表4.3所示,主要包括画线、画矩形、画圆、画圆弧、画闭合线,添加文本、图像符号、标注等。这些图形对象可直接用于画图,例如用于创建新的库元件(元器件、符号、引脚和终端),也可用于对所设计原理图进行一些必要的标注等。 对于具有方向性的对象,系统还提供了各种旋转图标按钮,具体如表4.4所示。,4.3 原理图编辑的基本操作,为了进行硬件系统的设计与仿真,首先需进行原理图图形文件的编辑。首先按照前面所述基本步骤进入如图4.3所示主界面。在Proteus ISIS窗口中选择【Fi
6、le】【New Design】菜单项,弹出如图4.5所示创建新的设计文件对话框。选择合适的模板(通常选择DEFAULT模板),单击“OK”按钮,即可完成新设计文件的建立。当然,设计模板在原理图编辑的过程中还可以进行修改。,图4.5 创建新的设计文件对话框,选择【File】【Save Design】菜单项,将弹出一个对话框,用于为设计文件命名,并选择保存路径。只需在“保存在”下拉列表框中选择目标存放路径,并在“文件名”框中键入设计的文档名称。同时,保存文件的默认类型为Design File,即文档自动加扩展名“.DSN”,单击“保存”按钮即可。 下面就可以进行原理图的编辑工作了,其基本操作主要包
7、括元器件的选取、放置、删除、移动、复制、编辑,还有电路连线、添加标签等。,4.3.1 元器件的选取,首先用鼠标左键单击“对象选择按钮”(图4.3中)中的“P”,即可弹出拾取元件(Pick Devices)窗口,用于选取元件,如图4.6所示,该窗口主要显示内容为:关键词输入栏、元件库列表、元件库二级目录、元件库厂商列表、所选元件库中元件列表,以及所选元件原理图符号和PCB封装显示等。,图4.6 拾取元件(Pick Devices)窗口,选取元器件的方法有两种: 一种是在关键字区域键入要查询的元器件名称,以缩小查找范围。 另一种选取元件的方法如图4.6所示,在“元件库列表”中选择元件所属类,然后在
8、“元件库二级目录”中选择所属子类,当对元器件的制造商有要求时,在“厂商列表”中选择厂商,即可在元件列表区域得到相应的元器件,然后进行选取。,4.3.2 元器件的放置及编辑,当所需元件被一一添加至“对象选择窗口”中后,就可以将元件放置于图形编辑窗口,以便进行原理图的设计了。就像图4.4左侧“对象选择窗口”中就列出了该设计所需的所有元器件。 (1) 单击“对象选择窗口”中的器件,在Proteus ISIS编辑环境主界面的“预览窗口”中即出现该器件的图标; (2) 使用旋转图标按钮对元器件的方向进行调整; (3) 在“图形编辑窗口”双击鼠标左键,元器件就被放置到原理图中。 需删除元件或对象时,可用鼠
9、标指向对象并双击鼠标右键,即可以删除该对象,同时删除该对象的所有连线。 当需拷贝一个对象或拷贝一整块电路时,用鼠标左键框选要复制的对象,被选择部分显示为红色,然后用鼠标左键点击工具栏中复制图标 ,把拷贝的轮廓拖到需要的位置,单击鼠标左键放置拷贝,重复此步骤可放置多个拷贝,点击鼠标右键结束。 对于一些元器件,如电容、电阻等,需要对元器件的参数进行修改时,可选择对元件进行编辑。,以一个电阻元件为例,具体元件编辑方法是: (1) 通过元件拾取,将电阻元件放置于图形编辑窗口中; (2) 用鼠标左键双击元器件,弹出如图4.9所示对话框; 图4.9电阻元件编辑对话框中主要包含如下项目: Component
10、 Reference:元器件在原理图中的标号; Resistance:电阻阻值; Model Type:元件类型; Hidden:选择元器件参考号是否出现在原理图中; PCB Package:元器件的封装; Stock Code:库存代码。 (3) 对相关参数可进行修改,如阻值和标号等,然后单击“OK”按钮,结束元器件的编辑。,图4.9 电阻元件编辑对话框,4.3.3 元器件的连线,电路连线分为导线连接、添加网络标号连接、总线连接、使用输入/输出终端连接四种方式。,4.3.3.1 导线连接,在两个对象间连线只需用鼠标左键单击第一个对象连接点,再用鼠标左键单击另一个连接点;如果想自己决定走线路径
11、,只需在想要拐弯处点击鼠标左键即可。,4.3.3.2 添加网络标号连接,当电路比较复杂,过多的连线会使电路中的导线相互交错,图纸显得凌乱,连接关系不容易辨别,可以利用标注网络标号来代替连接导线。如图4.10中有三处添加了网络标号“tem”,则表示他们是短接在一起的。,4.3.3.3 总线连接,在连接数据总线或其他平行的一组信号线时,可以将其连接成总线的方式。另外,Proteus ISIS同时支持在层次模块间运行总线,也支持定义库元件为总线型引脚。在以总线方式进行连线时,需分为绘制总线、放置总线分支、添加网络标号三个步骤。 用总线方式连接AT89C52的P1口的电路如图4.11所示。,4.3.3
12、.4 添加终端连接,添加终端的连接方法类似网络标号的标注,可以在需要连接的两个接线端上分别连接“输入终端”和“输出终端”。具体方法是:用鼠标左键单击绘图工具栏中的 ,然后在对象选择窗口中选择INPUT,使用输入终端;选择OUTPUT,使用输出终端,如图4.12所示。并将这两个端子命名为同一名称。如图4.10中,有一个输出终端和两个输入终端都被命名为“fan”,表明他们是相连的关系。,4.3.4 编辑环境的设置,Proteus ISIS编辑环境的设置主要包括图纸的选择、图纸的设置、文本编辑器的设置、栅格的设置等。如设置纸张的型号、标注的字体,是否显示图纸的栅格,以及栅格的大小等。,4.3.4.1
13、 图纸的设置,可在创建新的设计文件时进行图纸大小的设定,如图4.5所示。在编辑原理图的过程中,如果感觉图纸的尺寸不合适,也可随时进行修改,具体方法是:在Proteus ISIS主界面选择【System】【Set Sheet Sizes】菜单项,将出现如图4.13所示对话框。在该对话框中用户可选择图纸的大小或自定义图纸的大小。,4.3.4.2 设置文本编辑器,如需设置文本格式,可在Proteus ISIS主界面中选择【System】【Set Text Editor】菜单项,弹出如图4.14所示对话框。在该对话框中可以对文本的字体、字形、大小、效果和颜色等进行设置。,4.3.4.3 设置栅格,在进
14、行原理图设计时,图形编辑区中的栅格方便元器件的布局和对齐,也利于电路中导线的排列,但一个栅格的宽度决定了光标移动的单位移动量,例如画导线或放置元器件时,如果需要移动的位置小于当前栅格的尺寸,可对栅格的大小进行修改。具体方法是:选择【View】【Snap 10th】菜单项,或【Snap 50th】、【Snap 0.1in】、【Snap 0.5in】项,可将栅格的尺寸调整为10th、50th、0.1in或1.5in,系统默认值为0.1in。,4.3.4.4 动画选项设置,选择【System】【Set Animation Options】菜单项,即可打开仿真电路设置对话框,如图4.16所示。,4.3
15、.5 层次原理图设计,如图4.18是一个层次电路(主电路),其中TEM-CONTROL和FAN-CONTROL为子电路,子电路的内部电路图如图4.19所示。,层次电路的设计步骤介绍如下: (1)画子电路模块; (2)编辑子电路及其端口名称,在同一个图页,每个子电路必须有唯一的子图框名称,如“TEM-CONTROL”和“FAN-CONTROL”。 (3)子电路编辑:将光标放置在子电路模块上,点鼠标右键,并选择菜单命令“Goto Child Sheet”(默认组合键为Ctrl+C),这时ISIS将加载一空白的子图页,在打开的空白子图页中可进行原理子图的编辑。 (4) 返回主设计页:子电路编辑完后,
16、选择菜单命令【Design】【Goto Sheet】,这时出现如图4.28所示对话框,选择“Root sheet1”,然后“OK”,即使ISIS回到主设计图页。需要返回主设计页也可以在子图页空白处点鼠标右键,选择“Exit to Parent Sheet”选项。 (5) 编辑子电路属性; (6) 子电路模块的复制,在层次电路图设计时,如果有多个子电路其内部电路相同,可通过子电路模块的复制得到,但需要注意的是,各子电路内部的各元器件标号必须是不同的,不能重复。 创建好子电路后,将其放到主电路中合适的位置,并将其与主电路相关部分相连,即可完成层次电路的设计。,4.4 系统仿真,4.4.1 系统仿真
17、举例,要求设计一个基于单片机控制器的微型计算机温度测控系统;可以随时进行温度的设定,实时监测当前温度,并可进行实时控制;设定温度和当前温度要求用数码管显示;控制算法可采用模糊控制算法;采用Pt100温度传感器或DS18B20进行温度测量,测温范围为0-100C;控制精度为0.5 C。 根据以上设计要求,依据4.3节的原理图设计方法,完成如图4.30所示的一个基于单片机的温度测控系统原理图,用鼠标左键单击仿真运行按钮 中的 ,即可进入仿真运行状态。,图4.30 使用Proteus的ISIS所设计的温控系统原理图,在原理图设计的过程中,在调用电路元件时,为了能够实现仿真,要选用具有动画演示功能的器
18、件或具有仿真属性的器件。如图4.32所示拾取元件时,在所选元件原理图符号窗口显示有“No Simulator Model”,则表示此元器件不具有仿真的功能。,CELIANG的内部电路如图4.34所示,其中包含一个热电阻PT100,用于进行温度的测量。当然软件仿真的过程中,是不可能进行温度的测定的,但可以根据需要随意对当前温度进行设定,如图4.34中设定当前温度为35C。 此外,仿真电路中还用到了一些仿真工具,如示波器、电压表、发光二级管等。下面对一些常用的仿真工具做一简单介绍。,4.4.2 常用仿真工具,Proteus有两种不同的仿真方式,即交互式仿真和基于图表的仿真。交互式仿真可以实时、直观
19、地反映电路仿真运行的结果;基于图表的仿真用来精确分析电路的各种性能,如频率特性、噪声特性等。为辅助仿真运行,Proteus软件提供了大量的可视化虚拟设备,主要包括:,激励源 虚拟仪器 探针 曲线图表,4.4.2.1 激励源,激励源菜单通过点击ISIS主界面左侧的图标 即可打开,如图4.35所示。,DC:直流电压源; SINE:正弦波发生器; PULSE:脉冲发生器; EXP:指数脉冲发生器; SFFM:单频率调频波信号发生器; PWLIN:任意分段线性脉冲信号发生器; FILE:File信号发生器,数据来源于ASCII文件; AUDIO:音频信号发生器,数据来源于wav文件; DSTATE:单
20、稳态逻辑电平发生器; DEDGE:单边沿信号发生器; DPULSE:单周期数字脉冲发生器; DCLOCK:数字时钟信号发生器; DPATTERN:模式信号发生器; SCRIPTABLE:脚本信号发生器,采用EasyHDL语言的源代码描述信号发生器所需产生信号。,例如图4.36(a)所示为四种信号源,包括:数字时钟信号发生器、单频率调频波信号发生器、指数脉冲信号发生器和任意分段线性脉冲信号发生器;图4.36(b)为用示波器观察到的波形。,4.4.2.2 虚拟仪器,虚拟仪器菜单通过点击ISIS主界面左侧的虚拟仪器模式(Virtual Instrument Mode)图标 即可打开,如图4.37所示
21、。,主要有以下一些虚拟仪器: OSCILLOSCOPE:示波器; LOGIC ANALYSER:逻辑分析仪; COUNTER TIMER:计数器/定时器; VIRTUAL TERMINAL:虚拟终端; SPI DEBUGGER:SPI调试器; I2C DEBUGGER:I2C调试器; SIGNAL GENERATOR:信号发生器; PATTERN GENERATOR:模式发生器; DC VOLTMETER:直流电压表; DC AMMETER:直流电流表; AC VOLTMETER:交流电压表; AC AMMETER:交流电流表。,4.4.2.3 仿真图表,Proteus ISIS除了可进行动态
22、仿真以外,还提供一种静态的图表仿真功能,可通过放置电压/电流探针设置测试点,经仿真生成各个测试点的信号波形,即电路中某点对地的电压或某条支路的电流相对时间轴的波形,并以图表的形式留在电路图中,便于进行分析。主要分为几下几个步骤:,(1) 在电路中各个被测点加电压探针,或在被测支路加电流探针; (2) 选择放置波形的类别,并在原理图中拖出用于生成仿真波形的图表框; (3) 在图表框中添加测量变量; (4) 设置图表属性; (5) 按图表仿真键生成对应的波形; (6) 分析及打印输出。,1.仿真图表应用举例,下面以图4.46所示一个双极步进电机控制的仿真原理图为例,介绍仿真图表的应用。,L298的
23、OUT1-OUT4输出给步进电机的信号U1(OUT1)-U1(OUT4)与电机的运转情况究竟有什么关系,必须利用U1(OUT1)-U1(OUT4)的波形作进一步分析,即进行图表仿真。图表仿真的具体步骤如下: (1)在U1(OUT1)-U1(OUT4)引脚上分别放置电压探针; (2)选中图表模式按钮,在对象选择窗口中选择“DIGITAL”, 然后在图形编辑窗口中用鼠标拖出一个大小适中的图表框,如图4.48,系统默认横坐标是从0s1s; (3)向窗口中添加瞬态变量曲线; (4)双击图表,打开其属性对话框,可对其属性进行修改,如可将横坐标轴的时间范围做一修改,将结束时间(Stop time)改为2s; (5)再将鼠标移至图表框,点鼠标右键,在下拉窗口中选择“Simulate Graph”,即可得到方针后的图表,如图4.53。 (6)把鼠标在图4.53图表框的绿色区双击,图表放大,成为一个独立的窗口,放大后的图表窗口最上面的菜单栏可用于对图表做进一步的设定,如可修改背景及图形颜色等,如图4.54 所示。,2.其他仿真图表介绍,
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