單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具及軟硬件設(shè)計(jì)和仿真

吳澤球

（武夷學(xué)院，福建 武夷山 354300）

單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具及軟硬件設(shè)計(jì)和仿真

吳澤球

（武夷學(xué)院，福建 武夷山 354300）

選用C51語(yǔ)言作編程語(yǔ)言，KEIL和Proteus、雙龍軟件作為主要的軟件編譯、調(diào)試、仿真、下載和制作的工具，可以方便地進(jìn)行51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，并能進(jìn)行硬件仿真和電路板制作，是優(yōu)異的計(jì)算機(jī)輔助開(kāi)發(fā)工具組合。最后提出了一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和工具的設(shè)想。

單片機(jī)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；軟硬件；設(shè)計(jì)；仿真

1 引言

使用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)輔助技術(shù)和工具來(lái)輔助單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能夠大大地節(jié)省人的勞動(dòng)，產(chǎn)生電腦解放人腦的巨大效益。早期的如Z80單片機(jī)，雖然使用匯編語(yǔ)言編程，但是機(jī)器只識(shí)別由0和1組成的編碼，故當(dāng)編出程序后還需要人工將其翻譯成機(jī)器碼,再輸入到單片機(jī)中，然后才能進(jìn)行軟硬件調(diào)試?，F(xiàn)在這種勞動(dòng)早已經(jīng)被電腦取代。其勞動(dòng)效率提高了何止千百倍！雖然如此，人們還是在不斷追求更高效的方法，開(kāi)發(fā)更高效的工具。在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及軟硬件結(jié)合仿真的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具已經(jīng)被眾多的開(kāi)發(fā)者所使用。

2 51單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具及選用

現(xiàn)在對(duì)于51系列單片機(jī)已經(jīng)有了不少開(kāi)發(fā)工具和設(shè)備，如：支持用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)51單片機(jī)程序的常用開(kāi)發(fā)軟件就有加拿大軟件公司DAVEDUNFIELD推出的MICRO-C51編譯器、IAR公司及2500 A.D公司開(kāi)發(fā)的編譯器[1]、Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil軟件[2]、Intel公司的ASM51、美國(guó)的Cybernetic Microsystern Inc公司的Cys8051等。國(guó)內(nèi)的有Med-Win集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、偉福集成開(kāi)發(fā)軟件等[3]。功能比較齊全的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可以將用戶在開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件過(guò)程中所需的所有工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，這些工具包括編輯器，高級(jí)語(yǔ)言編譯器，匯編器，定位／連接器等，能為用戶提供友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件和硬件仿真的工具有Nahau公司的EMUL5lXA-PC實(shí)時(shí)在線仿真器[4]、英國(guó)Labcenter公司的Proteus軟件[5]等。

8051單片機(jī)應(yīng)用程序可使用匯編語(yǔ)言，其優(yōu)勢(shì)是與硬件密切相關(guān)，可以方便地實(shí)現(xiàn)硬件功能，占用資源小、執(zhí)行速度快。但后來(lái)開(kāi)發(fā)的C51語(yǔ)言，可以方便地實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)模塊化，代碼可讀性好、易維護(hù)和升級(jí)，而且在絕大多數(shù)應(yīng)用條件下執(zhí)行效率已經(jīng)非常接近匯編語(yǔ)言，采用C51語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)軟件編程有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此用C51進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)已經(jīng)成為單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的主流之一。

對(duì)于C51的編譯執(zhí)行，目前最普遍使用的是KEIL 51軟件。KEIL 51是德國(guó)KEIL公司開(kāi)發(fā)的單片機(jī)C語(yǔ)言編譯器，其前身是FRANKLIN C51，它集成了文件編輯處理、編譯鏈接、項(xiàng)目管理、窗口、工具引用和軟件仿真管理等多種功能，它的仿真功能中，有兩種仿真模式：軟件模擬方式和目標(biāo)板調(diào)試方式。在軟件模擬方式下，不需要8051單片機(jī)硬件就能完成程序仿真調(diào)試，這可以極大地提高用戶程序的開(kāi)發(fā)效率。

在硬件的仿真方面也有一些軟件，其中Proteus是一款相當(dāng)不錯(cuò)的軟件。Proteus是英國(guó)Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，它不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，還是一款先進(jìn)、完整的多種型號(hào)微控制器（單片機(jī)）仿真器[6]。其中的ISIS智能原理圖輸入系統(tǒng)是Proteus系統(tǒng)的中心，它是畫(huà)原理圖和仿真的設(shè)計(jì)環(huán)境。Proteus可以與KEIL結(jié)合使用和聯(lián)合進(jìn)行單片機(jī)軟、硬件的仿真調(diào)試，這使得不需要單片機(jī)硬件系統(tǒng)就能完成程序仿真調(diào)試，以及對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)硬件不能包括電子線路部分的仿真。這給單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。

根據(jù)上述情況，綜合考慮使用的效果和工具軟件獲得的成本，本文推薦以下51單片機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具組合：選擇用C51語(yǔ)言作主要的編程語(yǔ)言，KEIL和Proteus、雙龍軟件作為主要的軟件編譯、調(diào)試、仿真、下載和制作PCB板的工具軟件，應(yīng)該是目前性價(jià)比上相當(dāng)好的組合。這些軟件都可以得到能滿足一般需求的免費(fèi)版本。

3 51單片機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具組合的使用

3.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件各模塊流程圖

首先按照一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)出硬件電路和軟件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)各模塊作軟件設(shè)計(jì)得到各模塊的程序流程圖。

3.2 用C51語(yǔ)言進(jìn)行編程

C51是在完全支持標(biāo)準(zhǔn)C全部指令和規(guī)則基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的，可以方便地設(shè)計(jì)模塊化的程序。有了各模塊的程序流程圖后，就容易分別對(duì)各程序模塊按流程圖用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。編寫(xiě)程序可以啟動(dòng)KEIL，在其界面下進(jìn)行。

3.3 用Proteus畫(huà)出單片機(jī)電路

為了能夠?qū)τ布娐愤M(jìn)行仿真，需要用Proteus畫(huà)出單片機(jī)系統(tǒng)的電路，一般可以按系統(tǒng)的各模塊分別畫(huà)出電路，仿真成功后再組合成總的電路，也可以將整個(gè)電路一次畫(huà)出。用何種方法視電路、軟件的復(fù)雜程度和調(diào)試難易的具體情況而定。

3.4 軟硬件結(jié)合仿真和調(diào)試

可以用KEIL軟件對(duì)編好的C51語(yǔ)言程序進(jìn)行編譯，編譯通過(guò)后就可以在KEIL上進(jìn)行調(diào)試，這時(shí)可以用KEIL與Proteus聯(lián)合工作進(jìn)行軟、硬件的調(diào)試和仿真。當(dāng)然里往往需要對(duì)軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行多次的改動(dòng)和仿真調(diào)試。

3.5 制作硬件電路

軟硬件調(diào)試通過(guò)后，就可以制作硬件電路了，這時(shí)可用Proteus的ARES軟件方便地進(jìn)行PCB板的設(shè)計(jì)和制作，然后就可以進(jìn)行元件的安裝。

3.6 實(shí)際軟硬件調(diào)試、修改

最后是用實(shí)際的硬件電路進(jìn)行實(shí)際的軟硬件調(diào)試和修改。這時(shí)可以用雙龍軟件將調(diào)試好的程序下載到硬件電路的8051單片機(jī)中進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。由于軟件并不能完全地仿真真實(shí)電路，所以這時(shí)的硬件電路及軟件還可能需要作進(jìn)一步改進(jìn)。

4 舉例

下面用一個(gè)顯示模塊的設(shè)計(jì)來(lái)舉例說(shuō)明使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具進(jìn)行軟硬件結(jié)合仿真設(shè)計(jì)。

4.1 確定顯示的功能、硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程圖

顯示功能模塊包括：需要發(fā)光顯示的元件有八個(gè)七段LED數(shù)碼管，七個(gè)發(fā)光二極管。一個(gè)七段LED數(shù)碼管需要八條線控制段的顯示（七段加一位小數(shù)點(diǎn)），一條線控制位顯。七個(gè)發(fā)光二極管接成共陽(yáng)極時(shí)與一個(gè)沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)的LED數(shù)碼管一樣可以用七條段的控制線加一條控制七個(gè)二極管的陽(yáng)極的位線來(lái)控制，用動(dòng)態(tài)掃描的方法使顯示器件工作。硬件的電路原理圖如圖10所示。

其中，LED數(shù)碼管是共陽(yáng)極的，藍(lán)色的表示數(shù)據(jù)總線，總線與51單片機(jī)的P0口的八條引腳相接，用字母a-h標(biāo)示，七個(gè)二極管的陰極分別接到總線的這些線上，LED的陰極也分別接到總線的相應(yīng)線上，并在一起的八個(gè)驅(qū)動(dòng)門則分別按順序與八個(gè)LED的位線相接，左邊單獨(dú)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)門則與并在一起的七個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極相接。其工作原理是：51單片機(jī)通過(guò)P0口按一定次序?qū)⒍未a送上總線，另一方面單片機(jī)又控制驅(qū)動(dòng)門按一定順序輸出高電平到對(duì)應(yīng)的LED的位線上使相應(yīng)的LED被接通電源點(diǎn)亮相應(yīng)段，最后點(diǎn)亮并在一起的發(fā)光二極管，這樣從左到右依次點(diǎn)亮，周而復(fù)始，當(dāng)掃描頻率夠高時(shí)（不少于25次/秒），人眼就會(huì)看到所有發(fā)光的元件是穩(wěn)定地發(fā)光的。

據(jù)功能和硬件工作原理寫(xiě)出程序流程圖1如下：

LED顯示函數(shù)：dispLED（ ）

圖1 程序流程圖FigureⅠ ProgranMflow ing

4.2 用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序

可以使用KEIL的文本編輯器寫(xiě)程序，按流程圖不難寫(xiě)出C語(yǔ)言程序如下：void dispLED（ ）

4.3 用Proteus畫(huà)出相應(yīng)的電路圖

啟動(dòng)Proteus的ISIS，可使用界面的默認(rèn)設(shè)置，先按電路所需元件到元件庫(kù)里選擇好元件，將元件擺放到圖中，連好線，保存到指定文件名。電路圖如圖2所示。

圖2 電路圖FigureⅡ circuit digroom

4.4 軟硬件結(jié)合仿真和調(diào)試

啟動(dòng)KEIL進(jìn)行軟件編譯和調(diào)試，可以在KEIL的界面內(nèi)先對(duì)程序文件進(jìn)行編譯，消除語(yǔ)法錯(cuò)誤后再進(jìn)行軟硬件結(jié)合仿真。

軟硬件結(jié)合仿真要設(shè)定KEIL與Proteus聯(lián)調(diào)功能，方法是：?jiǎn)?dòng)KEIL，打開(kāi)編譯好的運(yùn)行dispLED的項(xiàng)目，將KEIL的Option for target選項(xiàng)下的Debug設(shè)置成 Use proteus VSMMONITRE 51 DRIVE,并將Proteus的DEBUG菜單中選中“use remote debugermonitor”，就可以使用KEIL與 Proteus聯(lián)調(diào)的功能進(jìn)行軟硬件結(jié)合仿真和調(diào)試。

使用KEIL與 Proteus聯(lián)調(diào)功能時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)KEIL和Proteus的ISIS并打開(kāi)顯示模塊的軟件和硬件項(xiàng)目，要將KEIL生成的HEX文件下載到ISIS打開(kāi)的電路圖中的8051中。這時(shí)KEIL的各種調(diào)試、修改、查看系統(tǒng)狀態(tài)、仿真等功能都可以使用，同時(shí)在Proteus的界面顯示的電路圖上可以直觀地看到運(yùn)行的結(jié)果，如圖2所示。圖中，元件引腳上的高、低電平分別用紅、藍(lán)色直觀地表示，不確定的電平則用灰色表示，LED可以發(fā)光顯示數(shù)碼。這點(diǎn)給電路和程序的調(diào)試帶來(lái)很大的方便。不但比只用KEIL對(duì)8051仿真方便快捷，比用實(shí)際的電路硬件利用單片機(jī)的串口與PC機(jī)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)KEIL對(duì)用戶程序的實(shí)時(shí)在線調(diào)試也更直觀和方便快捷。

4.5 制作硬件電路

經(jīng)過(guò)調(diào)試、修改得到滿足要求的硬件電路后，就可以用Proteus的ARES得到PCB圖。做法是：在ISIS中完成原理圖，然后修改封裝，把元件的封裝修改成符合元件的實(shí)際形狀的，調(diào)整好所有元件的封裝后，到菜單Tools→Netlist Compiler，打開(kāi)Netlist Compiler設(shè)置對(duì)話框，一般用默認(rèn)設(shè)置就行了，單擊OK生成網(wǎng)表文件。緊接著將網(wǎng)表文件導(dǎo)入到ARES。選擇菜單Tools→Netlist to ARES，這樣就會(huì)打開(kāi)ARES，在放置元件前，要選畫(huà)一個(gè)版框，之后所有的元件將在版框內(nèi)布線。最好先把具有標(biāo)志性的元件先手工放置，然后單擊Set Strategies按鈕，設(shè)置布線策略（規(guī)則），例如使線的寬度適合所通過(guò)的電流和單面板等，然后使用自動(dòng)放置元件，自動(dòng)布線，最后再人工調(diào)整、添加安裝孔、焊盤(pán)等。滿意后就可以打印出來(lái)制電路板，然后就可以進(jìn)行硬件的安裝、軟件下載和調(diào)試了。

4.6 實(shí)際硬件和軟件的調(diào)試

雖然經(jīng)過(guò)了仿真，但是對(duì)實(shí)際電路還要做進(jìn)一步的軟硬件調(diào)試和確認(rèn)，因目前仿真軟件還不可能完全地仿真實(shí)際電路。

5 討論

從實(shí)際使用效果看，上面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真工具組合能夠完成通常情況下的調(diào)試、仿真、下載、制作PCB板等任務(wù)，大大提高51單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的工作效率。Proteus能對(duì)多種單片機(jī)進(jìn)行仿真，所以這種方法能用于多種單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)然上面的KEIL等要代以其它單片機(jī)用的相應(yīng)軟件。

這種仿真也會(huì)遇到一些問(wèn)題，主要有以下兩點(diǎn)。

1.仿真的結(jié)果與實(shí)際電路運(yùn)行的結(jié)果往往會(huì)有差別。對(duì)于硬件的仿真結(jié)果與實(shí)際情況差別可能會(huì)更大，這是因?yàn)橛布膶?shí)際運(yùn)行情況是十分復(fù)雜的，仿真其實(shí)是用程序來(lái)模擬實(shí)際元件的工作情況，而由人編寫(xiě)的程序是很難全面地模擬電子元件的實(shí)際情況的，特別是多個(gè)元件的綜合作用時(shí)。雖然如此，這些工具對(duì)提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率的用處仍是令人滿意的。

2.元件仿真模型不足。Proteus雖然有豐富的元件庫(kù)，但其中許多元件可以在畫(huà)電路圖時(shí)使用，在進(jìn)行程序仿真時(shí)就仿真不了，這是因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的仿真模型程序。對(duì)這個(gè)問(wèn)題有三個(gè)解決辦法：一是使用同功能的不同型號(hào)元件代替進(jìn)行仿真；二是尋找相應(yīng)的仿真模型程序；三是可以自建元件即自己為元件設(shè)計(jì)仿真模型程序。

有了以上的工具組合，學(xué)校可以建立虛擬電子和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。這有幾個(gè)好處：節(jié)省資金；使學(xué)生得到一定的仿真和計(jì)算機(jī)技術(shù)訓(xùn)練；不會(huì)造成電子設(shè)備和元器件的損壞；學(xué)生用仿真的方法進(jìn)行原理和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后再做實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)驗(yàn)，這有利于循序漸進(jìn)的教學(xué)等。

6 設(shè)想

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化Electronic Design Automation）的一種技術(shù)就是用硬件描述語(yǔ)言VHDL按想達(dá)到的功能寫(xiě)出功能描述設(shè)計(jì)文件，就能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地形成能完成這些功能的邏輯電路結(jié)構(gòu)。如果51單片機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具組合也能夠由單片機(jī)系統(tǒng)的功能和電路出發(fā)自動(dòng)形成能完成這些功能的軟件結(jié)構(gòu)，以至形成C51程序，那將是單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和工具的一個(gè)飛躍。這應(yīng)該是可能的，也應(yīng)該是單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的一個(gè)發(fā)展方向。

［1］陳龍三.8051單片機(jī)C語(yǔ)言控制與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［2］求是科技.8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊(cè)［M］.人民郵電出版社，2006.

［3］祁偉，楊亭.單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)教程與實(shí)驗(yàn)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］張培仁，等.自動(dòng)控制技術(shù)和應(yīng)用，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［M］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.

［5］周潤(rùn)景，袁偉亭，景曉松.Prteus在MCS-51＆ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用百例［M］.北京：電了工業(yè)出版社，2006.10.

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Abstract：Selecting the C51 language for the programming language，and the KEIL，Proteus，Shuanglong software as themajor compilers，debugging，simulation，downloading and production tools，we can easily carried out the design and hardware simulation of 51 Single-chip Microcomputer System，this is a good combination of computer-aided development tools.

Keywords：single-chip；computer-aided design；software and hardware；simulation

（責(zé)任編輯 王璟琳）

CoMputer-aided Design Tools and Software and Hardware Design and Simulation of Single-chip MicrocoMputer System

WU Ze-qiu
（Wuyi UniversityWuyishan Fujian China 354300）

TP391.9

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1673-2014（2010）02-0019-04

2009—12—18

福建省南平市科技計(jì)劃項(xiàng)目《小型制冷劑回收機(jī)研制》（項(xiàng)目編號(hào)N2006Z01-4）

吳澤球（1954— ），男，廣西賀州人，副教授，主要從事微機(jī)控制研究。