首页 -> 2009年第1期
基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机设计仿真
作者：许洪龙
[关键词]Proteus 单片机 仿真 串口通讯
一、Proteus的功能描述
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路。该软件实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合，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、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。该软件支持主流单片机系统的仿真。目前，支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。此外，它还提供了软件的调试功能，在仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时，还可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，并支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil uVision等。该软件还具有强大的原理图绘制和PCB板设计功能。
下面以单片机串口通讯电路的设计为例，介绍使用Proteus软件进行仿真的全过程。
二、单片机串口的工作方式
单片机串口通讯有四种方式，分别是串行工作方式0、串行工作方式1、串行工作方式2、串行工作方式3，通过设置串行控制寄存器SCON来控制单片机的工作方式。这里只对“工作方式0”的设计仿真进行说明。
在方式0下，把串行口作为同步移位寄存器来使用，这时，以RXD（P3.0）端作为数据移位的入口和出口，由TXD（P3.1）端提供移位时钟脉冲。移位数据的发送和接受以8位为一组，低位在前，高位在后。其格式为：
使用方式0来实现数据的移位输入、输出时，实际上是把串行口变为了并行口来使用。串行口作为并行输出口使用时，要有“串入并出”的移位寄存器配合，如cd4094、74ls164、74hc164等其电路连接如图1所示。
数据预先写入串行口数据缓冲寄存器，然后从串行口RXD端在移位时钟脉冲（TXD）的控制下，逐位移入cd4094。当8位数据全部移出后，SCON寄存器的发送中断标志T1被自动置“1”。其后，主程序就可以中断查询的方法，通过设置STB状态的控制，把CD4094的内容并行输出。
如果把能够实现“并入串出”的移位寄存器（如CD4014、74ls165、74HC165等）与串口配合使用，就可以把串行口变为并行口使用，如图2所示。CD4014移出的串行数据同样经RXD端串行输入，TXD端提供移位时钟脉冲。8位数据串行接收时需要有允许接收的控制，具体由SCON寄存器的REN位实现。REN=0，禁止接收；REN=1，允许接收。当软件置位REN时，即开始从RXD端输入数据（低位在前），当接收到8位数据时，置位接受中断标志RI。
三、使用Proteus设计单片机串口通讯实例
利用单片机的串口和CD4094的串入并出功能设计，实现8支发光二极管从上向下依次点亮，并反复循环。其中，发光二极管采用共阴极连接。
在windows下安装Proteus ISIS后，可以在桌面上找到ISIS6 Professional图标，双击打开进入Proteus的工作页面。Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1所示，它包括标题栏、主菜单、标准工具栏、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。
1.绘制电路图。单击对象选择器按钮 ，如图2所示。
弹出“Pick Devices”页面，在“Keywords”输入AT89C51，系统在对象库中进行搜索、查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图3所示：
在“Results”的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89C51”添加至对象选择器的窗口中。用同样的方法将“CD4094”和“led-bargraph-red”添加至对象选择器窗口，单击“OK”按钮，结束对象选择。
经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了CD4094、AT89C51、led-bargraph-red这三个元器件对象。在对象选择器的窗口中，选中CD4094，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，从而完成放置。同理，将AT89C51和led-bargraph-red放置到图形编辑窗口中。
接下来，用导线连接各接点：Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。当鼠标的指针靠近元件的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，表明找到了连接点；单击鼠标左键，移动鼠标（不用拖动），将鼠标的指针靠近另一个元件的连接点时，接着鼠标的指针就会又出现一个“×”号，表明找到了该元件的连接点，同时屏幕上出现了粉红色的连接，单击鼠标左键，粉红色的连接线就变成了深绿色，该条连线绘制完成。再用同样的方法绘制其他连接线，电路原理图的编辑就完成了。如图4所示。
2.程序的编写与编译。由89C51“串口工作方式0”的相关协议，把89C51串行口8位状态码穿行移位输出后，SCON寄存器的TI位置“1”，把TI作为状态查询标志，则使用查询方法完成的源程序如下：
org 00h ；
start:jmpmain；
org30h ；
main: movscon，#00h ；串行口方式0工作
clr es；禁止串行中断
mova，#01h ；发光二极管从上端亮起
delr: clrP1.0 ；关闭并行输出
mov sbuf， a；串行输出
jnb TI， $；状态查询
setb P1.0 ；开启并行输出
acalldelay ；状态维持
clrTI ；清发送中断标志
rr a；发光组合下移
ajmpdelr；循环
dalay: mov r3， #0ffh；延时子程序
del2:mov r4，#0ffh
del1:nop
djnz r4， del1
djnz r3， del2
ret；子程序返回
end ；程序结束
将程序保存为“80c51.asm”，然后使用keil等编译工具生成“80c51.hex”。
3.Proteus的设置和仿真。在图形编辑窗口内将鼠标置于单片机上，单击鼠标右键，选中该对象，单击鼠标左键，进入AT89C51属性编辑页面。在“Program File”中，通过打开按钮
，添加刚才生成的程序文件“80c51.hex”，点击“ok”按钮，退出AT89C51属性的编辑页面。接下来，点击图1中仿真进程控制按钮
，开始仿真，我们能清楚地观察到每一个引脚的电平变化，红色代表高电平，蓝色代表低电平。同时，还能看到发光二极管从上到下循环点亮。点击按钮
，可以结束仿真。
四、结束语
从以上实例中可以看出，用Proteus对设计的电路进行仿真，其过程非常接近实际操作的效果，而且具有元器件选择范围广、参数修改方便、电路调试便捷、经济实用等优点，用户几乎不受手中元器件等客观条件的限制，不用担心设计实验失败的风险，从而极大地发挥了他们的主观能动性和创造性，并最大限度地节省了研发成本，加快了产品的开发进程。无论是对刚入门的电子爱好者，还是对电子工程师来说，都有着极大的推广学习和应用价值。
参考文献：
[1]李广弟.单片机基础[M].北京:北京航天航空出版社,2001.