0.引言
    Proteus 是由英國(guó)Labcenter electronics 公司開發(fā)的EDA 工具軟件。它從1989 年出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年的歷史，在全球廣泛使用。Proteus 安裝以后，主要由兩個(gè)程序組成：Ares和Isis。前者主要用于PCB 自動(dòng)或人工布線及其電路仿真，后者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應(yīng)的仿真。除了上述基本應(yīng)用之外，Proteus 革命性的功能在于它的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件代碼級(jí)的調(diào)試，還可以直接實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地模擬按鈕、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時(shí)配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量和觀測(cè)。
    Proteus 軟件的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及PCB 制版、spice 電路仿真、單片機(jī)仿真，在最新的6.9 版本中又加入了對(duì)ARM7/LPC2000 的仿真。本文主要以單片機(jī)的仿真為例，使大家初步了解該軟件的強(qiáng)大功能及其在工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用。

1.Proteus 仿真功能簡(jiǎn)介
    作為一款EDA 仿真軟件，Proteus 與同類軟件有著很多的相似之處。相比之下，其主要的特點(diǎn)有兩個(gè)：一是對(duì)動(dòng)態(tài)元件的實(shí)時(shí)仿真，它對(duì)“人機(jī)對(duì)話”的模擬增強(qiáng)了系統(tǒng)的真實(shí)性；二是虛擬工具箱的功能，它能與仿真同時(shí)進(jìn)行，測(cè)量方便而準(zhǔn)確。下面著重介紹一下該軟件的這兩個(gè)突出特點(diǎn)。

1.1.實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真
    與多數(shù)仿真軟件相似，Proteus 有著數(shù)量龐大的元件庫。Labcenter 公司與相關(guān)的第三方軟件陣容共同開發(fā)了6000 多個(gè)模擬和數(shù)字電路中常用的spice 模型以及各種動(dòng)態(tài)元件，基本元件如電阻、電容、各種二極管、三極管、MOS 管、555 定時(shí)器等；74 系列TTL 元件和4000 系列CMOS 元件；存儲(chǔ)芯片包括各種常用的ROM, RAM，EEPROM, 還有常見I2C 器件等。在豐富的庫元件的支持下，原理布圖時(shí)只要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用和連線，通過對(duì)每個(gè)元件的屬性設(shè)置完成繪圖，然后即可進(jìn)行仿真和虛擬測(cè)量。關(guān)于原理圖的具體繪制方法不是本文討論的重點(diǎn)，請(qǐng)參考軟件提供的幫助教程。
    與Multisim 等仿真軟件的一大不同，在于Proteus 支持微處理器的仿真。這些仿真的實(shí)現(xiàn)是基于Labcenter 公司提出的VSM 的概念。
    VSM，Virtual System Modelling，直接譯作“虛擬系統(tǒng)模型”，官方的定義是：將spice電路模型、動(dòng)態(tài)外設(shè)以及微處理器的仿真結(jié)合起來，在物理原型調(diào)試之前用于仿真整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法[1]。對(duì)動(dòng)態(tài)外設(shè)的支持是Proteus在區(qū)別于其他等仿真軟件最直接的地方。VSM為用戶提供了一個(gè)實(shí)時(shí)交互的環(huán)境，在仿真的過程中，你可以用鼠標(biāo)去點(diǎn)擊開關(guān)和按鈕，微處理器根據(jù)輸入的信號(hào)做出相應(yīng)的中斷響應(yīng)，同時(shí)輸出運(yùn)算的結(jié)果到顯示終端。整個(gè)過程與真實(shí)的硬件調(diào)是極其相似的，在動(dòng)態(tài)外設(shè)支持下的實(shí)時(shí)輸入和輸出為實(shí)驗(yàn)者呈現(xiàn)了一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)的調(diào)試環(huán)境。官方資料顯示，一個(gè)300 MHz Pentium II CPU可以以12MHz的時(shí)鐘頻率仿真一個(gè)基本的8051 系統(tǒng)。

1.2 虛擬工具箱
     Proteus 的虛擬工具箱提供了電路測(cè)試中的常用工具和儀器，主要用于在實(shí)時(shí)仿真同時(shí)的電路參數(shù)觀測(cè)，測(cè)量結(jié)果隨仿真動(dòng)態(tài)變化并顯示，可以滿足精度要求不是很高的測(cè)量分析，對(duì)于電路特性的定性分析可以起到事半功倍的效果，大大節(jié)約了測(cè)試時(shí)間和開發(fā)成本。軟件提供的虛擬工具和儀器如圖1.1 所示。
 
圖1.1 虛擬工具箱
    下面我們以示波器為例來說明虛擬工具箱的應(yīng)用。
 
圖1.2 虛擬示波器
    圖中的電路非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)EXAMPLE01 中寫入的是一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的PWM方波的程序。我們把輸出管腳連接到示波器的CH1 通道，運(yùn)行仿真，用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)虛擬示波器的Y 軸幅度和X 軸掃描頻率，整個(gè)調(diào)節(jié)步驟同真實(shí)的示波器完全一樣。當(dāng)波形穩(wěn)定時(shí)可以觀測(cè)到一個(gè)占空比可調(diào)的PWM 方波，如圖所示。

2.Proteus 在單片機(jī)仿真中的應(yīng)用
    基于VSM 的理論，Proteus 可以仿真很多常用的微處理器。具體來講，它支持PIC, 8051,AVR, HC11, ARM7/LPC2000 等系列多種型號(hào)的微處理器、微控制器，仿真時(shí)只需在設(shè)定元件屬性時(shí)指定下載程序的路徑即可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。

2.1.Proteus 對(duì)AVR 單片機(jī)的仿真
    就Atmel 公司的AVR 系列單片機(jī)而言，Proteus 支持的型號(hào)非常全面，從低端ATtiny10 到高端的ATmega128 均有可以直接調(diào)用的庫元件。下面以ATmega16 為例介紹Proteus支持的仿真功能。
 
圖2.1 ATmega16
    圖2.1 是Proteus 中的ATmega16 庫元件，其管腳上的標(biāo)識(shí)與該芯片的Datasheet 是基本一致的，唯一的不同是隱去了GND 和VCC 管腳，在繪制原理圖的時(shí)候可以不用對(duì)其進(jìn)行連接，系統(tǒng)默認(rèn)的設(shè)置就是將它們分別連到地和5V 電源上。具體可以仿真的功能有：支持所有的I/O 操作，內(nèi)部的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的模擬（包括輸入捕獲、輸出比較、PWM模式），看門狗定時(shí)器，串行UART 接口，主、從模式串行SPI 接口，支持內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC，支持Atmel 的TWI （Two Wire Interface）通信方式，存貯器方面支持外部SRAM 擴(kuò)展以及內(nèi)置EEPROM 的模擬，支持多個(gè)微控制器的協(xié)同工作仿真等等。仿真時(shí)，首先繪制原理圖，然后將任何AVR 源程序編譯器（WinAVR 等）生成的下載文件（*.hex 格式）路徑指定給原理圖中的芯片，就可以觀察程序的運(yùn)行。另外值得一提的是，實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行的過程中，每個(gè)管腳的旁邊會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小正方形的指示，紅色代表高電平，藍(lán)色帶表低電平，從這個(gè)小正方形我們可以不用虛擬工具的測(cè)量很直觀的看到每個(gè)管腳的電平變化，對(duì)程序的運(yùn)行做出最基本的判斷，對(duì)于簡(jiǎn)單的分析可以節(jié)省很多的時(shí)間。在本文圖1.2 和圖2.2 的例子中，ATmega16 的19 管腳輸出的是方波，所以旁邊可以看到一個(gè)紅藍(lán)交替、以一定頻率閃爍的小正方形。

2.2.Proteus 與其他單片機(jī)仿真軟件的比較
    AVR 系列單片機(jī)可以可用很多的軟件進(jìn)行仿真。常用的有AVR Studio 和Vmlab。AVR Studio、Vmlab 和Proteus 都屬于代碼級(jí)的仿真軟件，與芯片級(jí)仿真不同，代碼級(jí)仿真完全在計(jì)算機(jī)上完成，不需要硬件的參與，主要用于查看代碼的執(zhí)行過程和參數(shù)變化。在具體功能上，這三款軟件各有千秋。
    AVR Studio 是一款完全免費(fèi)的AVR 單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，包括AVR Assembler 編譯器和AVR Studio 調(diào)試功能，AVR Prog 串行、并行下載功能和Jtag ICE 仿真功能。它最主要的功能是觀察代碼執(zhí)行過程中單片機(jī)內(nèi)部各個(gè)寄存器值的變化，尤其是一些寄存器關(guān)鍵位的置位、復(fù)位操作與代碼的關(guān)系。利用單步調(diào)試功能可以更細(xì)致的檢查代碼的執(zhí)行過程。對(duì)于內(nèi)部的定時(shí)中斷也可以較好的仿真，使實(shí)驗(yàn)者清楚了解中斷對(duì)于整個(gè)程序流程的影響。但是對(duì)于外部中斷和輸入捕獲等需要?jiǎng)討B(tài)外設(shè)配合的功能，AVR Studio 就顯得無能為力了。同時(shí)該軟件使用黑色、白色的方塊來表示1 和0，用以反映寄存器值的變化，當(dāng)需要觀察某些波形時(shí)，這樣的仿真結(jié)果顯得很不直觀。Vmlab 在這方面要做得好一些。
    VMLAB 的全稱為：Visual Micro Lab。它針對(duì)于AVR 以及ST62 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，是一個(gè)單片機(jī)的虛擬原型框架。它具有強(qiáng)大的多窗口、多文件的編輯器，微控制器的集成開發(fā)環(huán)境，擁有一系列的集成開發(fā)工具，圖形界面調(diào)試器，混合模式的模擬-數(shù)字電路仿真器，代碼質(zhì)量檢查器等等。硬件和應(yīng)用軟件能進(jìn)行并發(fā)仿真。與Proteus 最為相似的一點(diǎn)是它可以以單片機(jī)為核心仿真出包括模擬元器件在內(nèi)的一些動(dòng)態(tài)外設(shè)（按鍵，LED，液晶顯示器等），具有圖形顯示和波形顯示的功能。
    如果就單片機(jī)及一些簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)外設(shè)而言，Vmlab 和Proteus 有著很大的相似，最多只是軟件本身的操作方法有著很大的不同。但是Proteus 不僅僅是一個(gè)AVR 單片機(jī)的仿真軟件，它所支持的大量常用芯片模型為單片機(jī)和其他芯片協(xié)同仿真復(fù)雜的完整系統(tǒng)提供了極大的方便。請(qǐng)看下面的例子，如圖2.2 所示。
 
圖2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
    這是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，L297 和L298 是常用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，前者用于產(chǎn)生符合電機(jī)各個(gè)相位正確時(shí)序的方波，后者主要用于電流放大，為電機(jī)產(chǎn)生合適的驅(qū)動(dòng)電流。單片機(jī)EXAMPLE02 在本例中只相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，提供L297 的時(shí)鐘信號(hào)。這樣完整的系統(tǒng)仿真是其他單片機(jī)仿真軟件所不能獨(dú)立完成的。這時(shí)，Proteus 為我們提供的不僅僅是一個(gè)單片機(jī)的仿真環(huán)境，稱其為一個(gè)虛擬的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室是完全合適的，只要我們能充分的利用Proteus 提供的實(shí)驗(yàn)器件就可以完成一個(gè)比較完整的單片機(jī)系統(tǒng)。

3.Proteus 仿真實(shí)例分析
    單片機(jī)、矩陣鍵盤和字符型液晶的組合是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中最常用的簡(jiǎn)單系統(tǒng)之一，是很多最小系統(tǒng)板的核心部分。在開發(fā)實(shí)際的單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，“人機(jī)對(duì)話”部分主要靠這個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在編寫這部分程序時(shí)要進(jìn)行頻繁的測(cè)試從而更改一些參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到良好的工作狀態(tài)，常見的問題有：顯示界面的布局、菜單層次的設(shè)置、按鍵靈敏度和防抖的參數(shù)等。有了下面介紹的Proteus 仿真，這些測(cè)試和一些經(jīng)驗(yàn)值的調(diào)整就可以不需要進(jìn)行頻繁的硬件測(cè)試了，而只需要改動(dòng)源程序中的一些函數(shù)調(diào)用。這個(gè)系統(tǒng)可以稍加改動(dòng)輕松應(yīng)用于其他各類系統(tǒng)的輸入和輸出部分，具有普遍意義。

3.1.1602 字符型液晶簡(jiǎn)介
    該顯示模塊由字符型液晶顯示屏（LCD），控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780 及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，少量阻、容元件，結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB 板上而成。液晶顯示屏是以若干個(gè)5×8或5×11 點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群。每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位，字符間距和行距都為一個(gè)點(diǎn)的寬度。
    該字符型LCD 具有字符發(fā)生器ROM 可顯示192 種字符（160 個(gè)5×7 點(diǎn)陣字符和32 個(gè)5×10 點(diǎn)陣字符）具有64 個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8 個(gè)5×8 點(diǎn)陣字符或四個(gè)5×11點(diǎn)陣字符。且具有80 個(gè)字節(jié)的RAM�？梢苑謨尚小⒚恳恍酗@示16 個(gè)ASCII 字符，足以應(yīng)付簡(jiǎn)單用戶界面（主要由數(shù)字和英文字母組成）的開發(fā)和系統(tǒng)參數(shù)的顯示。

3.2.4*4 矩陣鍵盤
    4*4 矩陣鍵盤有4 行4 列,鍵盤上有4*4=16 個(gè)按鍵,而它只需要占用4+4=8 個(gè)I/O口，這樣的設(shè)計(jì)大大節(jié)省了單片機(jī)寶貴的I/O口資源[2]。單片機(jī)提供一定頻率的掃描信號(hào)并對(duì)用戶的按鍵值進(jìn)行分析和處理，達(dá)到正確判斷16 個(gè)按鍵的目的。對(duì)于一般的單片機(jī)系統(tǒng)，16 個(gè)按鍵足以滿足多數(shù)應(yīng)用的需求。因此，它可以作為很多系統(tǒng)的按鍵輸入工具。

3.3.系統(tǒng)綜合分析
    根據(jù)以上的分析，以及各器件的工作原理，繪制系統(tǒng)原理圖3.1。
 
圖3.1 液晶和鍵盤綜合應(yīng)用
    單片機(jī)EXAMPLE03 是這個(gè)系統(tǒng)的核心，下載的程序是液晶和鍵盤的驅(qū)動(dòng)。其中PC0-PC2 分別連接液晶的三個(gè)控制使能端，通過它們的譯碼組合來實(shí)現(xiàn)液晶讀寫指令和數(shù)據(jù)的控制。PB0-PB7 連接液晶的八位數(shù)據(jù)端，負(fù)責(zé)控制命令和讀寫字符的數(shù)據(jù)傳輸。PA0-PA3是輸出端，連接鍵盤的4 列，輸出列掃描信號(hào)；PA4-PA7 是輸入端，連接鍵盤的4 行，捕捉用戶的按鍵作為行信號(hào)，通過行列信號(hào)的組合可以唯一確定16 個(gè)按鍵之一，從而供單片機(jī)處理。
    圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預(yù)置的字符串信息“BUPT_Information”，第二行第一列顯示當(dāng)前的按鍵值，此時(shí)鼠標(biāo)按下了數(shù)字健“6”。當(dāng)鼠標(biāo)按下其他的健時(shí)，液晶的顯示會(huì)同步更新，這就是Proteus 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的神奇之所在！

4.結(jié)語
    本文所介紹的只是Proteus 強(qiáng)大功能中很初步的一部分。Proteus 還具有環(huán)境模擬、圖表分析、噪聲分析等高級(jí)應(yīng)用。Proteus 軟件的安裝目錄中有很多經(jīng)典的范例，讀者通過自學(xué)可以進(jìn)一步了解該軟件在EDA 設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。同時(shí)，Proteus 的出現(xiàn)也為單片機(jī)教學(xué)工作和單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了一條方便、快捷、節(jié)約成本的新思路。相信隨著越來越多的人對(duì)Proteus 的了解和使用，它會(huì)對(duì)我們的學(xué)習(xí)、科研和工作帶來越來越多的便利。

參考文獻(xiàn)
[1] http://www.labcenters.co.uk
[2] 黃任，《AVR 單片機(jī)與CPLD/FPGA 綜合應(yīng)用入門》，.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2004