基于Proteus的ARM虛擬開發(fā)技術(shù)

1 引言

現(xiàn)在，人們生活中的每個角落都有嵌入式設(shè)備的存在，比如數(shù)碼相機、移動電話、TV機頂盒及掌上電腦等等。這些嵌入式設(shè)備多采用32位RISC嵌入式處理器作為核心部件。其中基于ARM核的嵌入式處理器獨占鰲頭，在32位RISC處理器中占據(jù)超過75%的市場份額。ARM核嵌入式處理器通常采用C語言編程，目前ARM公司的開發(fā)工具ADS、RealView以及Keil與ARM核處理器結(jié)合較好，得到了廣大嵌入式學(xué)習者的一致認可。

在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)學(xué)習中，嵌入式開發(fā)平臺是必不可少的。其中資源少的開發(fā)平臺便宜但功能較少，資源多的開發(fā)平臺又價格不菲，這對廣大的嵌入式愛好者無疑是個障礙。然而，有沒有在不增加甚至降低開發(fā)成本的同時還能進行同樣或更好的開發(fā)呢？本文介紹的Proteus軟件就是一個可以完全脫離硬件平臺來學(xué)習嵌入式系統(tǒng)進行虛擬開發(fā)的利器，可以說是嵌入式系統(tǒng)學(xué)習的一次革命。

1 Proteus簡介

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，是一個電子設(shè)計的教學(xué)平臺、實驗平臺和創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實驗室、電子技術(shù)實驗室、單片機應(yīng)用實驗室等的全部功能。其革命性的功能是將電路仿真和微處理器仿真進行協(xié)調(diào)，直接在基于原理圖的虛擬原型上進行處理器編程調(diào)試，并進行功能驗證，通過動態(tài)器件（如電機、LED、LCD、開關(guān)等），配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器（如示波器、邏輯分析儀等），可實時看到運行后的輸入輸出的效果，其主要特點如下：

(1)可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，其支持Pillips公司系列的ARM（LPC系列），Proteus的仿真是基于SPICE3F5的，因此它也能像其它的EDA軟件那樣進行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號分析、頻率分析等等；

(2)提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計數(shù)器、電表、Virtual Terminal等虛擬儀器儀表供選擇；

(3)能夠進行SCH(原理圖)和PCB（印刷板）電路的設(shè)計；

(4)其自身只帶匯編編譯器，不支持C語言。但可以將它與Keil、ADS集成開發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語言編寫的程序編譯好之后，可以立即進行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，達到很好的仿真效果。

2 Proteus環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計與仿真

Proteus和PROTEL、EWB等軟件相似，繪制原理圖都要先從器件庫里取出所需的元器件符號并在繪圖區(qū)布局好，同時編輯好元件的參數(shù)，接著進行連線，添加必要的網(wǎng)絡(luò)標號等步驟。下面通過一個簡單的實例說明如何使用Proteus軟件實現(xiàn)ARM（以LPC2124為例）系統(tǒng)設(shè)計與仿真。實例以 LPC2124控制器為核心，與L297、L298組成步進電機控制器，添加必要的外圍電路，實現(xiàn)對步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制。

2.1 電路原理圖的設(shè)計

運行Proteus VSM的ISIS后出現(xiàn)如圖1所示的主窗口界面，點擊“File”—“New Design”新建一個設(shè)計項目。接下來就是在其中所需的添加元器件了，點擊元器件添加按鈕會彈出“Pick Devices”對話框，在其中選擇需要添加的元器件，添加到器件列表區(qū)中。然后再依次點擊列表區(qū)里的元器件，把它們放到繪圖區(qū)并編輯其屬性，接著進行合理的布局之后，就可以進行連線了。與PROTEL類似，Proteus也具有自動捕捉節(jié)點和自動布線功能，連線時當鼠標的指針靠近一個對象的引腳時，跟著鼠標的指針就會出現(xiàn)一個“×”提示符號，點擊鼠標左鍵即可畫線，在終點再點擊確認一下就完成一段導(dǎo)線，所有導(dǎo)線畫完后，點擊電源按鈕，添加必要的電源和接地符號，并編輯其屬性后，原理圖的繪制就完成了，如圖2所示。

圖2 電路原理圖

2.2 程序代碼的編寫

程序代碼的編寫主要分四個部分進行：

(1) LPC2124的初始化代碼；

(2) LPC2124異常向量入口及異常向量與C語言代碼的接口，包括初始化堆棧的代碼；

(3) LPC2124目標板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標板初始化程序；

(4) 根據(jù)我們實例要求，結(jié)合原理圖，編寫實現(xiàn)預(yù)期功能的代碼，即通常的執(zhí)行代碼，代碼文件保存為“main.c”。

通常，為了節(jié)省開發(fā)者的時間，通常把這些文件保存在一個文件夾里，暫且把文件夾命名為“l(fā)pc2124模塊”，這樣在以后的程序代碼編寫時就可以直接調(diào)用這個模塊，再根據(jù)不同的要求改寫“main.c”就行了，而不必要又重新編寫這些程序，節(jié)省了大量時間，大大提高了工作效率。

這里主要說明“main.c”的編寫，要實現(xiàn)的功能是用LPC2124控制器、LP297、L298組成的步進電機控制 器，控制步進電機的運轉(zhuǎn)，原理圖中可以看到各元器件引腳的連接，圖中還設(shè)置了七個電壓探針，用數(shù)字圖表顯示各電壓節(jié)點的電平隨時間變化的曲線。KEY鍵控制電機的正反轉(zhuǎn)（KEY鍵按下則電機反轉(zhuǎn)）。程序流程圖如圖3所示。根據(jù)程序流程圖編寫好執(zhí)行代碼文件“main.c”。

圖3 程序流程圖

圖4 ADS編譯環(huán)境窗口

2.3 仿真

文中采用ADS集成開發(fā)環(huán)境進行程序的編譯連接設(shè)置，ADS集成開發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成開發(fā)工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2支持ARM10以前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試，支持匯編、C和C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點。

打開ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior IDE，點擊Project→New Project建立一個新的工程lcd.mcp，把以上編好的代碼文件全部添加進工程，如圖4所示。進行相關(guān)設(shè)置后，選擇Project→Make命令，編譯并連接工程，生成stepper.hex文件。

在原理圖中右擊微控制器LPC2124，再單擊，出現(xiàn)一屬性設(shè)置窗口Edit Component，如圖5。在其中的Program File中添加上面生成的stepper.hex文件的路徑，單擊OK完成設(shè)置。

點擊原理圖左下角

中的運行按鈕

，即開始仿真運行。仿真結(jié)果如圖6所示。數(shù)字圖表顯示各電壓節(jié)點的電平值隨時間變化的曲線，步進電機按要求運行，按下KEY鍵電機反轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果完全符合設(shè)計要求。

圖5 器件編輯窗口

圖6 仿真結(jié)果圖

3 結(jié)語

通過以上簡單的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計過程可以看出，用Proteus軟件進行ARM虛擬開發(fā)的優(yōu)勢所在。使用Proteus進行ARM的虛擬開發(fā)，不僅可以減少實驗硬件資本的投入，還突破了實際開發(fā)板中實驗內(nèi)容的局限性，使開發(fā)者能夠充分發(fā)揮自身的主動性。使用Proteus仿真，大大降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率。筆者相信隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展、完善，基于軟件的硬件虛擬開發(fā)的應(yīng)用將會發(fā)揮越來越重要的作用。

[1].RISCdatasheethttp:///datasheet/RISC_1189725.html.
[2].PCBdatasheethttp:///datasheet/PCB_1201640.html.
[3].LPC2124datasheethttp:///datasheet/LPC2124_844644.html.
[4].L297datasheethttp:///datasheet/L297_442958.html.
[5].L298datasheethttp:///datasheet/L298_442929.html.