一种电子产品仿真设计

　　仿真技术是一门多学科的综合性技 术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的 或设想的系统进行动态试验。例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。信息处理技术 和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网络技术相结合，由真实装备和 计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联 系在一起，让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同 研究，及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部 队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。美国陆军到 80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方 法。战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的 模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部研究计划局1983年开始实施 模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。仿 真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用 ，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。

　　1 电子产品的Proteus仿真技术

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上着名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Proteus拥有Motorola、Philips、Microchip、索尼、三洋、美的、格力等众多企业用户；拥有斯坦福（Stanford）、剑桥（Cambridge）、香港理工、清华、上海交通等数千所大学用户[3]。

本文以LED电子显示屏为例论述基于Proteus仿真技术的电子产品设计变革。

　　2 “LED电子显示屏”系统方框图与Proteus仿真设计过程

　　2.1 “LED电子显示屏”系统功能方框图

系统功能包括6部分。上部分为显示部分，是安装在国家高新技术企业慈溪迈思特电子科技有限公司大厅中的产品照片；有静止和左移显示功能。单片机控制部分为其。PC机字符输出系统和串口电路完成对屏显内容的更新。“人体红外线热释电感应器”实现屏前有行人则显，无行人则停显功能。

　　2.2 Proteus仿真设计过程

电子产品系统的Proteus仿真设计过程，共分为6步。前4步都在计算机PROTEUS设计平台上进行。若“虚拟样机仿真、联合调试和性能测试”的结果未达目标，则可返回再仿真设计。满意后，点击Proteus工具栏中按钮进入PCB板设计；PCB板3D仿真符合要求后，送PCB制板厂制板，再安装成物理样机。

　　3 Proteus ISIS电路设计和程序设计、编译（汇编）

启动Proteus ISIS，先在ISIS编辑区进行电路设计。设计电路后点击“电气检测钮”对电路进行电气检测。电路设计无误后，可直接在Proteus中进行单片机的程序设计。Proteus提供了在ISIS窗口中编写源程序、汇编生成目标代码文件的汇编器（ASEM51），也可使用集成开发环境IDE（例Keil、MPLAB）进行程序设计。图3右侧表示了Proteus程序设计情况。在“源程序编辑区”中设计电子屏程序后，点击“汇编命令”可生成目标代码文件。然后双击单片机，打开其属性栏，设置晶振频率，并将目标代码文件加载于单片机中。点击“仿真按钮”，则进行仿真，仿真片段如图4所示。

　　4 虚拟样机的Proteus仿真、联合调试和性能测试

　　4.1 虚拟样机的Proteus联合仿真

通过Proteus设计的电路、程序加上由计算机VB语言设计的LED电子屏输字系统等构成“电子屏”系统的虚拟样机。电子屏输字系统可由另一台计算机（上位机）通过串行接口与进行仿真设计的计算机连接以实现仿真联合调试；而应用虚拟串口已在一台计算机上实现了仿真和联合调试。这给调试带来了极大的方便。一台计算机加一个人便可高效、高质、高速进行有上位计算机参与的仿真设计。即为在同台笔记本电脑上实现仿真中联合调试的情况。

　　4.2 仿真过程中的联合调试

在同一台计算机上同时打开电子屏仿真设计与VB输字系统。点击    启动Proteus仿真，则看到电路运行状态、显示状态。若启动VB输字系统，则可进行VB“发送”和单片机“接收”的通信仿真。表示仿真中显示“仿真”两字，稍后左移显示，如此循环。点击    则进入调试状态。可进行全速、单步、过程单步及设置断点的运行并进行代码级调试。在调试过程中不仅可观察各存储器、寄存器单元情况，还可看到系统运行过程中的电平状态（以颜色方块表示：红为高电平、蓝为低电平）和显示结果。这正是Proteus动态交互式实时仿真的突出之处。当输字系统与单片机通信时，也可在VB代码窗口进行逐语句、逐过程测试，也可设置断点进行调试，并可在电子屏仿真设计的存储器窗口中观察输入数据的正确性，用以判断VB程序的正确性。即进行VB输字系统与电子屏仿真设计的联合调试。因电路及两种程序代码都可根据调试情况进行修改及重新编译（汇编），元件及其参数也可随时修改，且能在仿真中看到元件、连接点的运行状态、过程和极为接近实际的结果。

　　4.3 仿真过程中的测试

Proteus有功能很强的虚拟实验室，包括众多的虚拟仪器、电源、信号源、探头等，还有可作精密测量、分析的图表仿真（ASF）。这些都为仿真设计（电路、程序）的正确性及物理样机的质量提供了保障。例如用图表进行时序扫描、分析，这对电子屏的正确、优质工作非常重要。将电压探针连接到需要测量的扫描行引线上，并拖入ASF中即可[1-2]。左边对LINE0～LINE15行扫描线加上探针，右边是对应的16条行扫描的ASF时序图表。用ASF提供的光标可测得扫描正脉冲宽度均为1.02 ms，脉冲间均有0.05 ms宽的消影低电平。符合设计预期目标，不会产生串显及不稳定现象。仿真结果和实际产品都证实了此结果。

　　5 PCB板的Proteus设计及3D仿真

仿真调试正确后可直接点击ISIS工具栏中按钮进入Proteus ARES，进行电路板PCB设计。ARES集成了自动布局和基于形状的高效撤销/重试自动布线器，也可手工布线。它还提供PCB设计板的3D仿真视图，可缩放或正、反全方位转动观察，使得在制板前便可预览PCB板的情况，若有不满意之处，则可实时修改，从而减少时间、人力、资金的浪费。上方为Proteus设计的单片机控制部分双面PCB图，中部为其PCB 3D仿真视图。

　　6 物理样机（实际产品）制作

可直接将PCB板图文件送PCB制板厂制板，并安装成单片机控制部分的物理样机（控制板）。下方为安装成功的实物控制板照片。看出它与PCB 3D仿真视图一一对应。该板已用于电子屏实际产品中。上方即是该电子屏实际运行的照片。