Proteus仿真在虛擬示波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳建平，吳姝瑤，劉超

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059；2.成都凱天電子股份有限公司，四川成都 610091）

Proteus仿真在虛擬示波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳建平1，吳姝瑤2，劉超1

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059；2.成都凱天電子股份有限公司，四川成都 610091）

應(yīng)用Proteus仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的設(shè)計(jì)，把波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形信號(hào)作為信號(hào)源，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后用虛擬串口把數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)，最后由VC軟件中的INGraph控件提取數(shù)據(jù)進(jìn)行波形圖的繪制。經(jīng)仿真表明：該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了虛擬示波器的功能，在實(shí)際應(yīng)用中可以降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，提高效率。

Proteus軟件；A/D轉(zhuǎn)換；示波器；波形發(fā)生器

0 引言

在虛擬示波器的設(shè)計(jì)開發(fā)中，需要專用的信號(hào)發(fā)生器，才能對(duì)所設(shè)計(jì)的軟件、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)與評(píng)估，因此系統(tǒng)仿真起著非常重要的作用，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仿真，可以大大提高設(shè)計(jì)效率。為了能在無(wú)相關(guān)設(shè)備下也能進(jìn)行虛擬示波器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)，許多技術(shù)人員用各種仿真軟件，使用最多的仿真軟件應(yīng)當(dāng)是Matlab，其仿真功能強(qiáng)大，可以應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這些軟件無(wú)法直接用于單片機(jī)或DSP仿真，不能直觀地反映出微處理器在系統(tǒng)中的作用[1-2]。

Proteus軟件是來(lái)自Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，除了有和其他EDA工具一樣的原理圖編輯、PCB自動(dòng)、人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試。因此，利用Proteus軟件就可以進(jìn)行微處理器編程并實(shí)現(xiàn)各種控制算法的仿真，從而直觀地觀測(cè)到對(duì)被控制對(duì)象的控制效果[3]。

1 Proteus軟件簡(jiǎn)介

Proteus與其他單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅可以仿真單片機(jī)CPU的工作情況，還可以仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其他電路的工作情況。在仿真和程序調(diào)試時(shí)，不再關(guān)心單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接關(guān)注程序運(yùn)行和電路工作的過(guò)程和結(jié)果。對(duì)于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)與開發(fā)過(guò)程中更加安全、可靠。

Proteus ISIS是一款集電子仿真、單片機(jī)仿真于一體的EDA軟件，是極具競(jìng)爭(zhēng)力的仿真軟件。Proteus ISIS可以仿真各種復(fù)雜的輸入電壓、電流信號(hào)，因此，很容易用來(lái)仿真諧波信號(hào)的輸入。在Proteus ISIS中，可以仿真各種單片機(jī)，這些單片機(jī)可以根據(jù)各種輸入信號(hào)，如按鍵、標(biāo)準(zhǔn)與自定義波形、運(yùn)行程序，并與仿真各種接口芯片進(jìn)行通信、仿真LED數(shù)碼管或LCD顯示。因此，將Proteus ISIS應(yīng)用于諧波檢波器的設(shè)計(jì)，既經(jīng)濟(jì)又方便。

Proteus ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖1所示，包括標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇器窗口、圖形編輯窗口等。

圖1 Proteus ISIS工作界面

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)基于Proteus軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括“波形發(fā)生器”、“數(shù)據(jù)采集部分”、“單片機(jī)”、“虛擬串口”和“VC制圖控件”等[4]。

系統(tǒng)主要功能是將前端的波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形信號(hào)經(jīng)ADC采樣后數(shù)字化，送至MCU進(jìn)行波形重建邏輯處理，并由虛擬串口送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形重現(xiàn)處理（VC++）。系統(tǒng)的主控制單元MCU選用C8051芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯處理和控制。波形發(fā)生器由ICL8038組成，ADC電路選用一片AD1674來(lái)采樣數(shù)據(jù)，主要針對(duì)前段的波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 波形發(fā)生器

ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端，所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038主要具有5個(gè)特點(diǎn)：

（1）在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過(guò)50×10-6/℃；

（2）正弦波輸出具有低于1%的失真度，三角波輸出具有0.1%高線性度；

（3）具有0.001Hz～1MHz的頻率輸出范圍，工作變化周期寬；

（4）具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號(hào)輸出；

（5）易于使用，只需要很少的外部條件。

ICL8038芯片內(nèi)部包括兩個(gè)恒流源、兩個(gè)電壓比較器、兩個(gè)緩沖器、正弦波變壓器、模擬開關(guān)、RS觸發(fā)器。利用恒流源對(duì)外接電容進(jìn)行充、放電，產(chǎn)生三角波（或鋸齒波），經(jīng)緩沖器Ⅰ（3腳）輸出；由觸發(fā)器獲得方波（或矩形波），經(jīng)緩沖器Ⅱ（9腳）輸出；再利用正弦波變換器將三角波換成正弦波（2腳）輸出。改變電容器的充、放電時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)三角波與鋸齒波、方波與矩形波的互相轉(zhuǎn)換。

ICL8038應(yīng)用如圖3所示。在構(gòu)成函數(shù)波形發(fā)生器時(shí)應(yīng)該將第7、8引腳短接。R1、R2為定時(shí)電阻，可選1 kΩ～1MΩ的可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)R1、R2能改變振蕩頻率以及矩形波的占空比。C為定時(shí)電容，也能影響震蕩頻率。R3用于調(diào)整正弦波的失真，第9腳需要外接集電極負(fù)載電阻R4。

對(duì)于三波，其輸出幅度Vp=V+/3，振蕩頻率由式（1）確定

圖3 波形發(fā)生器

這也是矩形波和正弦波的頻率。矩形波的占空比為

欲獲得最佳性能，R1的阻值應(yīng)該滿足：

式中：I——正向充電電流，通常取10μA～1mA。

式（3）對(duì)于計(jì)算R2也適用。選取電容器C的方法是首先確定振蕩頻率f的調(diào)節(jié)范圍，然后計(jì)算R1、R2的值，再帶入式（1）中求出C的容量，以其上限標(biāo)稱值作為實(shí)際電容量。電容C值一經(jīng)確定就不再調(diào)整。

特別，當(dāng)R1=R2=R時(shí)，輸出為對(duì)稱的方波。式（1）化簡(jiǎn)為

本設(shè)計(jì)中R1=R2=10 kΩ，C=330 nF，帶入式（4）可知f=100Hz。

2.3 ADC數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

ADC數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)中，核心器件采用12位逐次逼近式快速轉(zhuǎn)換器AD1674，該芯片是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一款適用范圍很廣的一種A/D轉(zhuǎn)換器，其自身帶有采樣保持器和三態(tài)緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無(wú)須附加邏輯接口電路，并且與CMOS、TTL電平兼容，所以該芯片是一款集成性能很好的A/D轉(zhuǎn)換芯片。另外，AD1674轉(zhuǎn)換速度僅為15μs，以及12位的高轉(zhuǎn)換精度，完全滿足了虛擬示波器系統(tǒng)實(shí)時(shí)要求高、采樣精度高的要求。由于AD1674轉(zhuǎn)換器接收的是模擬電壓值，其電路的抗干擾及防止零漂能力直接關(guān)系到A/D采集模塊的可使用性。

圖4 時(shí)序控制電路圖

AD1674芯片內(nèi)部自帶采樣保持器（SHA）、10V基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。與原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度更高，工作性能（尤其是高低溫穩(wěn)定性）也更好，而且可以使設(shè)計(jì)板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性。其特點(diǎn)是：

（1）內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；

（2）采樣頻率為100 kHz；

（3）具有±1/2LSB的積分非線性，及12位差分非線性滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%；

（4）內(nèi)有+10V基準(zhǔn)電源，也可使用外部基準(zhǔn)源；

（5）4種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0～10V和0～20V；

（6）數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口；

（7）采用雙電源供電，模擬部分為±12V/±15V，數(shù)字部分為+5V；

圖5 AD1674的連接圖

（8）采用28腳密封陶瓷DIP或SOIC封裝形式，功耗低，僅為385mW。

設(shè)計(jì)中根據(jù)AD1674的轉(zhuǎn)換與啟動(dòng)時(shí)序圖搭建硬件電路，達(dá)到控制時(shí)序的目的，時(shí)序控制電路如圖4所示。AD1674電路連接如圖5所示，12位數(shù)據(jù)端接單片機(jī)P0口，實(shí)行雙8位數(shù)據(jù)采集。時(shí)序控制端接硬件搭建的電路。

在ADC數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)中，抗干擾性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。主要應(yīng)注意以下3點(diǎn)：

（1）將AD1674芯片的數(shù)字地與模擬地在靠近芯片的地方用0Ω電阻連接在一起。

（2）芯片供電電源經(jīng)過(guò)電容去耦后提供給芯片，且其地線與數(shù)字地相連。

（3）模擬信號(hào)的地線與AD1674的模擬地相連。

2.4 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的高速處理速度和增強(qiáng)型外圍設(shè)備集合使得它們適合于這種高速事件應(yīng)用場(chǎng)合。然而，這些關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域也要求這些單片機(jī)高度可靠。開發(fā)環(huán)境單片機(jī)選用了AT89C51，它的各種硬件、軟件環(huán)境部件有較好的交互性，單片機(jī)電路連接如圖6所示，單片機(jī)的P0口接A/D的數(shù)據(jù)端，通過(guò)雙8位的數(shù)據(jù)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)12位數(shù)據(jù)的讀取。

圖6 單片機(jī)的接口電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由波形發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、圖形顯示控件等模塊組成。首先通過(guò)ICL8038產(chǎn)生方波或者三角波，由AD1674對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用雙8位數(shù)據(jù)讀取方式，由單片機(jī)以9600B/s的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，處理，存儲(chǔ)在RAM中，再通過(guò)虛擬串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文本文檔中，啟用VC中的NTGraph插件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，繪制圖形，圖形會(huì)以窗口的形式顯示出來(lái)。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

波形重建計(jì)算與數(shù)據(jù)傳輸是本程序中的重點(diǎn)，由于采用C語(yǔ)言編程，程序比匯編程序要簡(jiǎn)練得多[5]，其數(shù)據(jù)傳輸子程序如下：

圖8 仿真波形

4 仿真與分析

Proteus在設(shè)計(jì)的時(shí)候已經(jīng)注意到和各種單片機(jī)編譯程序的整合，如可以和Keil、MPLAB等編譯模擬軟件結(jié)合。Keil是目前世界上優(yōu)秀的51單片機(jī)的匯編和C語(yǔ)言的開發(fā)工具，具備功能強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真（需硬件支持）功能，把這兩個(gè)軟件結(jié)合來(lái)用，調(diào)試軟硬件就方便多了。本文就是采用“Keil+ Proteus”的仿真方法[6-7]，具體步驟如下：

（1）正確設(shè)置Keil集成環(huán)境和Proteus之間的接口，使二者成功連接：

1）把C：Program FilesLabcenter Electronics Proteus 6 ProfessionalMODELS目錄下的VDM51. dll文件copy到C：KeilC51BIN；

2）修改C：Keil TOOLS.INI文件在[C51]欄目加入TDRV3=BINVDM51.DLL（“Proteus VSM Monitor-51Driver”），其中“TDRV5”中的數(shù)字“5”要根據(jù)實(shí)際情況填寫，只要不和原來(lái)已有的重復(fù)即可；

3）進(jìn)入Keil的Project→option for target，選擇Use復(fù)選項(xiàng)，在下拉列表項(xiàng)中選擇Proteus VSM Monitor-51Driver；

4）點(diǎn)擊setting項(xiàng)，設(shè)置IP為127.0.0.1，端口為8000。

（2）在Keil里對(duì)匯編源程序進(jìn)行編譯、連接后，就可以像在仿真儀上一樣進(jìn)行單步、全速調(diào)試了，隨時(shí)都可以觀察軟硬件的互動(dòng)工作的過(guò)程和結(jié)果。結(jié)合Proteus里的虛擬儀表，可以進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出后保存到計(jì)算機(jī)中，由VC中的控件INGraph空間進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)繪制，仿真波形如圖8所示。圖8（a）為虛擬示波器測(cè)試的方波圖形，圖8（b）為虛擬示波器測(cè)試的鋸齒波圖形。

5 結(jié)束語(yǔ)

Proteus軟件強(qiáng)大的微處理器仿真功能和豐富的元件仿真模型為虛擬示波器系統(tǒng)提供了新的仿真平臺(tái)，不再是傳統(tǒng)方框圖式的仿真，而是直接與微處理器編程及控制電路仿真結(jié)合起來(lái)，既可以完成控制電路的軟硬件仿真，又完成了系統(tǒng)的控制效果仿真。使用這種仿真方法可以大大提高設(shè)計(jì)各種數(shù)字控制器的效率，對(duì)于虛擬示波器系統(tǒng)的教學(xué)演示和實(shí)際設(shè)計(jì)都具有一定的輔助作用。

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Simulation of virtual oscilloscope based on Proteus software

WU Jian-ping1，WU Shu-yao2，LIU Chao1
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Geology Nuclear Technology key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；
2.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China）

This paper introduced the design of the virtual oscilloscope simulated by the Proteus based on MCU technique.After ADC digitization，the triangular wave or square wave signals by the waveform generator is extracted via related algorithm，and output to computer through the virtual serial port.Finally drawing of waveform based on the digital data by the INGraph controls in VC software was achieved.By using Proteus，the simulation of the virtual oscilloscope and design of MCU systems can be realized with less design costs，less development cycles and high efficiency.

Proteus；ADC；oscilloscope；waveform generator

TM935.3；TP391.9；TP274；TN606

A

1674-5124（2013）03-0079-05

2012-05-02；

：2012-06-27

高等教育質(zhì)量工程（省級(jí)教改項(xiàng)目）（SZH1105JP03）作者簡(jiǎn)介：吳建平（1954-），女，江蘇江陰市人，教授，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器、核技術(shù)應(yīng)用研究。