NI Multisim下如何進(jìn)行SPICE模型和8051 MCU的協(xié)同仿真

Multisim是基于SPICE的電路仿真軟件，SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）是“側(cè)重于集成電路的模擬程序”的簡(jiǎn)稱，在1975年由加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校開發(fā)。在Multisim9中，需要另安裝MultiMCU進(jìn)行單片機(jī)仿真。NI(National Instruments) Multisim10 將MuitiMCU稱為MCU Module，不需要單獨(dú)安裝，可以與Multisim中的SPICE模型電路協(xié)同仿真，支持Intel/Atmel的8051/8052 和 Microchip的 PIC16F84a，典型的外設(shè)有RAM和ROM，鍵盤，圖形和文字LCD，并有完整的調(diào)試功能，包括設(shè)置斷點(diǎn)，查看寄存器，改寫內(nèi)存等。支持C語言，可以編寫頭文件和使用庫，還可以將加載的外部二進(jìn)制文件反匯編。Multisim10下載
　這里我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有復(fù)位功能的計(jì)數(shù)器的例子來說明在NI Multisim10中如何進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)以及如何與SPICE模型電路協(xié)同仿真。

MCU（Microcontroller Unit）即單片機(jī)是大家都比較熟悉并常用的電子器件，由于其廣泛的應(yīng)用，所以用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路是電子技術(shù)人員必備的技能。對(duì)于初學(xué)者，可以先從軟件仿真入手。我們知道利用Proteus軟件可以進(jìn)行單片機(jī)的軟件仿真，Multisim同樣也可以。

　如果你對(duì)Multisim比較熟悉，那一定對(duì)里面的安捷倫（Agilent）54622D混合信號(hào)示波器等儀器印象很深刻吧，因?yàn)樗c真實(shí)的儀器面板和操作幾乎完全一樣。Multisim里象這種模仿實(shí)際儀器的還有安捷倫的33120A任意波形函數(shù)發(fā)生器和34401A萬用表，泰克（Tektronix）的TDS2024四通道示波器。充分利用這些儀器，就好比擁有了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，你可以用33120A任意波形函數(shù)發(fā)生器給單片機(jī)提供輸入信號(hào)，用54622D或TDS2024示波器觀看模擬信號(hào)，或用54622D的邏輯分析儀功能查看單片機(jī)多個(gè)管腳數(shù)字信號(hào)的輸出。在下面的例子里我們將用54622D來觀察復(fù)位信號(hào)。

搭建電路設(shè)置MCU
　建好的電路圖如圖1所示，各器件的名稱等信息如附表所示。需要說明的是電路圖中的單片機(jī)不用連接晶振也可以進(jìn)行仿真，時(shí)鐘頻率（速度）的設(shè)置見下文。
 
圖1 帶復(fù)位功能的簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器的電路圖
 
附表　　
      搭建電路時(shí)，當(dāng)將單片機(jī)U1放入電路圖中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)MCU向?qū)?，如圖2所示。第一步，分別輸入工作區(qū)路徑和工作區(qū)名稱。工作區(qū)名稱任意，這里輸入MCUCosimWS。第二步，如圖3所示，在項(xiàng)目類型（Project type）下拉框有兩個(gè)選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)(Standard)和加載外部Hex文件(Load External Hex File)，你可以在Keil等環(huán)境下編寫匯編和C源程序，然后生成Hex文件，再通過“加載外部Hex文件”導(dǎo)入。限于篇幅這里選標(biāo)準(zhǔn)（Standard），接著在“編程語言”（Programming language）下拉框里會(huì)有兩個(gè)選項(xiàng)：C和匯編（Assembly），如果選擇C，則在匯編器/編譯器工具(Assembler/Compiler tool)下拉框會(huì)出現(xiàn)Hi-Tech C51-Lite compiler，我們這里選擇匯編（Assembly），則出現(xiàn)8051/8052 Metalink assembler。接下來在項(xiàng)目名稱（Project name）里輸入名稱，如CosimProject。第三步，如圖4所示，對(duì)話框里有兩個(gè)選項(xiàng)：創(chuàng)建空項(xiàng)目（Create empty project）和添加源文件(Add source file)。選擇添加源文件，點(diǎn)擊完成。保存文件，鍵入M10Cosim作為文件名，然后查看“設(shè)計(jì)工具箱”(Design Toolbox)，應(yīng)如圖5所示。

 
 
 
　你可能更愿意用C來編寫程序，而不是匯編，或兩個(gè)都用，或還想引入外部Hex文件，這都可以通過用“MCU代碼管理器”添加MCU項(xiàng)目來解決。在設(shè)計(jì)工具箱里右鍵單擊MCUCosimWS，選擇“MCU代碼管理器”（MCU Code Manager），點(diǎn)擊“新MCU項(xiàng)目”（New MCU Project）按鈕，選擇“項(xiàng)目類型”（Project Type），可以是標(biāo)準(zhǔn)（Standard）或加載外部Hex文件(Load External Hex File)，這里選“標(biāo)準(zhǔn)”，接著輸入名稱，如Cosim_C_Project，確定后就可以在MCU代碼管理器對(duì)話框里進(jìn)行下一步設(shè)置了，可以創(chuàng)建新文件，設(shè)置匯編器/編譯器等等。如圖6所示，這時(shí)已經(jīng)多了一個(gè)Cosim_C_Project項(xiàng)目（未添加C代碼源文件），前面圖標(biāo)空心的方框說明它不是“當(dāng)前使用的項(xiàng)目”（Active MCU Project）。
 
圖6用MCU代碼管理器添加的新項(xiàng)目　　

編寫并編譯MCU源程序　　
      雙擊CosimProject下的main.asm輸入程序，程序清單及注釋如下：
 
      由于匯編器是Metalink assembler，詳細(xì)的宏命令等可以參考其用戶手冊(cè)。編寫好程序后，選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Build，這里的下拉子菜單可能是“MCU 8051 U2”或“U3”，主要對(duì)應(yīng)電路圖中單片機(jī)的符號(hào)名稱，Build的結(jié)果會(huì)輸出到Spreadsheet View中。

運(yùn)行程序并用示波器觀察復(fù)位過程
　匯編程序編譯通過后，就可以回到電路圖窗口，點(diǎn)擊工具欄的運(yùn)行按鈕，這時(shí)在七段數(shù)碼管上就應(yīng)該循環(huán)顯示0到9，如果顯示過快或過慢，可以調(diào)整源程序中的COUNT_NUM，改變延時(shí)時(shí)間，或雙擊U1，在805x對(duì)話框的Value標(biāo)簽里設(shè)置“時(shí)鐘速度”（Clock Speed）。
電路中為SPICE模型的C1和R1的作用是延長(zhǎng)復(fù)位引腳保持高電平的時(shí)間，避免因復(fù)位電壓持續(xù)時(shí)間過短而引起復(fù)位失敗。雙擊示波器XSC1，按示波器面板上的POWER鍵，打開示波器，點(diǎn)擊工具欄的運(yùn)行按鈕，這時(shí)調(diào)整示波器的電壓和時(shí)間刻度，得到圖7所示的復(fù)位引腳電壓的變化，每個(gè)刻度是100μs，高電平持續(xù)了大概一個(gè)刻度，可見在加電時(shí)，單片機(jī)沒有立刻運(yùn)行，有一段延遲，延遲的時(shí)間應(yīng)該足以使其內(nèi)部電壓和振蕩都處于穩(wěn)態(tài)。按下復(fù)位鍵S1時(shí)的波形如圖8所示，這時(shí)每個(gè)刻度是50μs，波形平頂?shù)牟糠质前存I按下的時(shí)間，大概20μs，之后電壓逐漸降低，當(dāng)降到約3V時(shí)，7段數(shù)碼管開始計(jì)數(shù)，說明單片機(jī)開始工作，由圖8可知復(fù)位時(shí)間被延長(zhǎng)到大概100μs。
 
      其原理是加電瞬間或按鍵按下到松開之間，電容無電荷，兩端電壓為0V，單片機(jī)的RST引腳的電壓瞬間被提升到VCC(5V)。加電之后或按鍵松開，電容開始充電，兩端電壓逐漸增加，電阻的電壓（RST引腳電壓）由5V逐漸降低，因而延長(zhǎng)了復(fù)位引腳保持高電平的時(shí)間。實(shí)際器件對(duì)復(fù)位持續(xù)時(shí)間的要求一般在兩個(gè)機(jī)器周期，所以100微秒的復(fù)位時(shí)間要求51單片機(jī)的晶振頻率不低于0.24MHz。當(dāng)然一般情況下是根據(jù)晶振頻率確定C1和R1的值，這可以根據(jù)求解一階微分方程得到其充放電時(shí)間，或參考單片機(jī)的用戶手冊(cè)。

調(diào)試程序
      選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Debug View，可以看到文本區(qū)上面有下拉菜單并有兩種選擇，對(duì)應(yīng)反匯編（disassembly）和列表匯編（listing assembly），簡(jiǎn)單的說，前者是由ROM的內(nèi)容得到，后者是源文件編譯后的結(jié)果。雙擊“設(shè)計(jì)工具箱”的main.asm，在源文件編輯窗口右鍵單擊語句為“MOVC A,@A+DPTR”的一行，選擇“設(shè)置/清除斷點(diǎn)”（Toggle Breakpoint）,在左側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)實(shí)心圓，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，程序?qū)⑼Ｔ谠撔?，只不過是在“調(diào)試視圖”（Debug View）的列表匯編窗口下，同時(shí)在實(shí)心圓上多出了一個(gè)黃色箭頭。點(diǎn)擊MCU-> MCU 8051 U1->Memory View，打開MCU存儲(chǔ)器視圖，在該視圖可以查看特殊函數(shù)寄存器（SFR），內(nèi)部RAM(IRAM)，內(nèi)部ROM（IROM），外部RAM（XRAM）。在SFR表格內(nèi)觀察ACC的值，此時(shí)應(yīng)該為“00”，在IRAM里觀察地址為21H的值，因?yàn)?ldquo;MOV SP,#20H”語句將21H作為堆棧的第一個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)的地址，斷點(diǎn)的前一處語句“PUSH ACC”使該字節(jié)存儲(chǔ)ACC的值，此時(shí)也為“00”。再點(diǎn)“運(yùn)行”，程序第二次停在斷點(diǎn)處，觀察SFR中的ACC和IRAM中的21H，如圖9所示應(yīng)，兩個(gè)單元格里的值都應(yīng)為“01”，你還可以雙擊該單元格進(jìn)行修改，該值也正是七段數(shù)碼管即將顯示的下一個(gè)數(shù)。點(diǎn)擊MCU菜單，可以看到除了設(shè)置斷點(diǎn)以外還可單步進(jìn)入（Step into），遇到函數(shù)時(shí)進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部；跳過（Step over），即不進(jìn)入函數(shù)；跳出（Step out），即跳出函數(shù)到調(diào)用函數(shù)的下一條語句?！　　　?br />  
圖9 MCU存儲(chǔ)器視圖

結(jié)束語
　本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的電路介紹了在NI Multisim下如何進(jìn)行SPICE模型（這里主要指C1和R1）和8051 MCU的協(xié)同仿真。NI Multisim10不但有多種編譯和調(diào)試功能，還提供了RAM，ROM，鍵盤，液晶屏等外設(shè)，是初學(xué)單片機(jī)的理想工具。掌握了基本的硬件結(jié)構(gòu)，匯編指令和調(diào)試方法后，讀者可以利用Multisim開發(fā)更復(fù)雜的系統(tǒng)并仿真，為下一步設(shè)計(jì)實(shí)際的硬件電路做準(zhǔn)備。
    說明：因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電流是有限制的，不能太大，否則會(huì)燒毀單片機(jī)的。所以應(yīng)在數(shù)碼管的CA端和VCC端之間接一個(gè)限流電阻（100歐姆）；或者在單片機(jī)與數(shù)碼管之間接入一個(gè)排阻（7個(gè)）也可以，這樣仿真時(shí)就不會(huì)燒毀單片機(jī)了。