Proteus仿真图表在单片机时序分析中的应用

王 超, 宋莉莉

(昌吉学院 物理系, 新疆 昌吉 831100)

0 引 言

在单片机应用系统开发和实践教学中，经常会遇到一些隐含性错误，花费很多时间仍然很困难发现。借助proteus仿真软件，可以观察到电路中各点波形的时序变化情况，并且能以图表的形式保留在电路中，能迅速准确地找到错误原因。另外，利用仿真软件在没有硬件的环境下建立虚拟仿真平台，利用其强大的调试功能可以加快开发进程，更容易实现实践教学的目标，为教学、实验提供一个方便灵活的环境，丰富实验内容，激发了学生的学习兴趣，而且仿真成功的电路基本上可在产品开发中使用[1-4]。

1 Proteus 仿真软件及A/D转换器原理

Proteus ISIS是英国Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，能够实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，目前最新版本是Proteus8.0[5-8]。

TI公司的12位串行A/D转换器TLC2543具有11路模拟输入通道，能够实现可编程的MSB或LSB前导和可编程的输出数据长度的功能，TLC2543每次转换都必须先写入命令字，以便确定下一次转换用哪个通道，下次转换结果用多少位输出，转换结果输出是低位在前还是高位在前，命令字格式如下[9-10]：

D7D6D5D4D3D2D1D0

高4位(D7～D4)设置可以实现从11个模拟输入通道中选择的位数，或从3个内部自测电压中选择一个以便对转换器进行校准等；D3﹑D2选择A/D转换结果的数据输出位数；D1位用于选择输出数据的传送方式，即下一个I/O周期，A/D转换结果的数据是以低位在前或高位在前的方式串行输出；D0设置A/D转换结果是以单极性还是双极性二进制补码表示。

2 Proteus 基于图表的仿真步骤

(1) 在电路中被测点添加电压探针,或者在被测支路添加电流探针；

(2) 选择放置波形的种类，常见的有ANALOGUE(模拟波形) 、DIGITAL(数字波形)、MIXED(模数混合波形)、FREQUENCY(频率响应) 、DISTORTION(失真分析) 和FOURIER(傅立叶分析)等,并在原理图中拖出用于生成仿真波形的图表框[11-12]；

(3) 在图表框中添加探针；

(4) 设置图表属性，Start time为仿真开始时间，通常为0，Stop time 为仿真结束时间,根据波形输出需要确定时间[13-15]；

(5) 单击图表仿真按钮生成所加探针对应的波形；

(6) 分析波形并打印输出。

3 仿真实例及波形时序分析

图1 硬件电路图

3.1 仿真过程

依次在TLC2543的SDO、SDI、CS、CLK、EOC上添加电压探针，使电压探针与被测点电压点相关联，并为放置的各电压探针命名，分别为U2(CLK)、U2(SDI)、U2(SDO)、U2(CS)和U2(EOC)。

选择图形的种类:因要观察的是模拟数字混合波形，所以选择MIXED，并在原理图中绘制图表框，依次在图表框中添加已经命名过的探针，在图表属性中可以根据需要设置停止时间Stop time，在此设置为2 s，以便完整的观察波形变化情况，单击图表仿真生成的仿真波形如图2所示。图2中，下半部分为模拟波形，上半部分为数字波形。

3.2 仿真图表分析

右键单击选择窗口最大化，会出现快捷工具栏，利用它可以实现编辑图形、图形移动、放大缩小和查看仿真记录等，在仿真波形输出窗口中X轴为时间轴，其长度由仿真时间决定，时间轴的单位是s，利用放大或缩小操作来修改其显示的时间，可以达到ns级单位，对分析单片机的时序极为有利，Y轴是高低电平显示和电压显示轴。

图2 仿真图表波形图

图3 调试窗口

通过8051 CPU Source Code代码调试窗口中可以看到时钟信号CLK信号的变化周期，单片机的时钟频率为12 MHz，1个周期内CLK 高电平持续时间为执行1条指令SETB的时间，即1 μs，低电平持续时间为执行6条指令的时间即7 μs，CLK低电平与CLK高电平之间的间隔时间为7 μs，从仿真波形图4中观察的结果与指令分析一致。

图4 CLK波形变化周期

图5 转换结果波形分析

转换速率是衡量A/D转换器性能指标一个非常重要的参数，它是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需时间的倒数，如何获得A/D转换时间tconv成为关键，根据TLC2543手册提供的技术参数，转换时间tconv是转换结束信号EOC在转换期间两次高电平之间低电平维持的时间，放大仿真波形中EOC时序部分，将时间轴以us显示，将光标定位于EOC高电平变为低电平时刻测量时间为207.915 835 000 μs， EOC由低电平变为高电平时刻测量的时间为217.915 834 978 0 μs，tconv=9.999 999 978 μs，与TLC2543手册中tconv中描述的典型值为8us，最大值为10 μs一致。仿真波形如图6所示。

图6 转换时间分析图

4 结 语

借助Proteus中的仿真图表来分析单片机的时序，能实时观察到单片机与外设接口之间信号的变化，可以实现程序执行过程的定性分析，有助于发现一些难以查找到的隐含性错误，缩短开发周期，提高分析问题的能力。

[1] 王海燕,杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(5):88-91.

WANG Hai-yan,YANG Yan-hua .Application of Proteus and Keil in MCU Experiment Teaching[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(5):88-91.

[2] 王 娟. Proteus软件在单片机专题实训中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31(8)：72-74,110.

WANG Juan,Application of Proteus in MCU Practical Teaching[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012，31(8)：72-74,110.

[3] 刘喜双，姚 健. 单片机课程实践教学改革探索[J].教育探索，2013(8)：31-32.

LIU Xi-shuang,YAO Jian.Practice teaching reform for the Course of Single-Chip Microcomputer[J]. Education Exploration, 2013(8)：31-32.

[4] 周冠玲，冯占英，李 战. “单片机原理及应用”课程教学改革的探讨[J].中国电化教育，2012(6)：105-107.

ZHOU Guan-lin,FENG Zhan-yin,LI Zhan.Discussion on Teaching Reform for the Course of Single-Chip Microcomputer[J]. China Educational Technology, 2012(6)：105-107.

[5] 张 新. 51单片机应用开发25例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[6] 彭 伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].(第2版).北京：电子工业出版社，2012.

[7] 艾 红.微控制器技术综合设计和提高设计质量探讨[J].实验技术与管理，2013,30(10)：121-124.

AI Hong.Discussion integrative design for microprocessor technology and improvement of design quality[J]. Experimental Technology and Mangerment, 2013,30(10)：121-124.

[8] 王 瑾. 基于Proteus的数字电压表仿真设计[J].电子设计工程，2013，21(1):122-124，128.

WANG Jin,Simulation design of digital voltmeter based on Proteus[J]. Electronic Design Engineering, 2013,21(1)：122-124,128.

[9] 杜树春.基于Proteus和KeilC51的单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[10] 张占强,孟 克，其劳基于Proteus的多波形信号发生器仿真设计[J].电子测量技术，2013，3(36):15-19.

ZHANG Zhan-qiang，MEN Ke， QI Lao. Design of multi-waveform signal generator base on Proteus simulation[J]. Electronic Measurement Technology, 2013，3(36):15-19.

[11] 刘昆磊,马 超.Proteus仿真图表在单片机教学过程中的应用[J].内江科技,2010,31(8):139-139.

LIU Kong-lei,MA Chao, Application of Proteus Simulation Diagram in MCU Teching [J].Nei Jiang Technology, 2010,31(8):139-139.

[12] 邱少嗳. Proteus 仿真软件在单片机教学中的应用[J].电子制作，2014(1)：120-121.

QIU Shao-yuan.Applicationof proteus software in MCU teaching[J]. Practical Electronics，2014(1)：120-121.

[13] 徐 磊， 申红军， 蔡亚永.单片机开发Keil C51 与Proteus 仿真联合应用研究[J]. 电子设计工程,2013,17(21):178-181.

XU Lei,SHEN Hong-jun,CAI Ya-yong, MCU development Keil C51 and Proteus simulation combined application research[J]. Electronic Design Engineering,2013,17(21):178-181.

[14] 陈 飞，顾启民，王 伟. 基于Proteus 和Keil 的项目教学法在单片机教学中的应用[J]. 实验科学与技术,2013,11(51):48-52.

CHEN Fei，GU Qimin，WANG Wei. Application of Project Teaching Method Based on Proteus and Keil in MCU Teaching[J]. Experiment Science and Technology,2013,11(51):48-52.

[15] 杨镇博,张加宏.Proteus 软件在单片机教学改革中的应用[J].科技信息,2013(5):24-25.

YANG Zhen-Bo, ZHANG Jia-hong. Application of Proteus Software in the MCU Teaching Reform[J].Science &Technology Information, 2013(5):24-25.