PROTEUS 仿真开发软件

邵阳学院 信息工程系电子实践教学中心

江世明

在电子工程实践教学中的应用

PROTEUS 仿真开发软件在电子工程实践教学中的应用

1.PROTEUS 简介2.PROTEUS ISIS 的特点3.PROTEUS VSM 仿真与分析4. 微处理器系统仿真5. 电路设计与仿真实例6.PROTEUS ARES 应用介绍 7. 从概念到产品的设计实例

PROTEUS 简介 Proteus 是一个

基于 ProSPICE 混合模型仿真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。

ISIS—— 智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台。

ARES —— 高级 PCB布线编辑软件。

ASF高级图形分析模块

处理器仿真模型

VSM高级

布线 / 编辑ARES

动态器件库

混合模型仿真器

原理图输入系统 ISIS

PROTEUS

PROTEUS 简介 在 Proteus中 , 从原理图设计、单片机编程、系统仿真到 PCB 设计一气呵成。真正实现了从概念到产品的完整设计。

ISIS （智能原理图输入系统）的特点

个性化的编辑环境：用户可自定义图形外观，包括线宽、线型、填充类型、字符等。还可以使用模板 ;

用户可以自己设置快捷键定义。

快捷选取 / 放置器件：通过模糊搜索可以快速从器件库中选取器件。

原理图自动连线： ISIS 自动连线功能使得连线轻松快捷。

灵活多样的设计输出 ：原理图（可以包括仿真画面）可以 bmp 格式输出以便发表与存档；设计完成还可以输出多种格式的网络表。

原理图示例 1： PWM 电机控制

混合显示仿真图表

动态器件使仿真直观生动

CPU 可加载程序运行

原理图示例 2 ：锁相环电路——层次设计

子电路 模块电路

PROTEUS VSM 仿真与分析 PROTEUS VSM 有两种不同的仿真方式：交互式仿真和

基于图表的仿真。 交互式仿真－ 实时直观地反映电路设计的仿真结果； 基于图表的仿真 (ASF) －用来精确分析电路的各种性

能，如频率特性、噪声特性等。 PROTEUS VSM 中的整个电路分析是在 ISIS 原理图设

计模块下延续下来的，原理图中可以包含以下仿真工具： 探针－直接布置在线路上，用于采集和测量电压 / 电流

信号； 电路激励－系统的多种激励信号源； 虚拟仪器－用于观测电路的运行状况； 曲线图表－用于分析电路的参数指标。

直观的仿真结果显示

不同颜色电路连线显示相应电压箭头显示电流方向

探针实时显示电压 / 电流值

仿真暂停时显示元件引脚信息

仿真工具－探针（ Probe ） 电压探针（ Voltage probes ）－即 可在模拟仿真中使用，也可在数字仿真中 使用。在模拟电路中记录真实的电压值， 而在数字电路中，记录逻辑电平及其强度。 电流探针（ Current probes ） － 仅在模拟电路仿真

中使用，可显示电流方向和电流瞬时值。 探针即可用于基于图表的仿真，也可用于交互式仿真中 。

仿真工具－激励源 DC ：直流电压源； Sine ：正弦波发生器。 Pulse ：脉冲发生器。 Exp ：指数脉冲发生器。 SFFM ：单频率调频波信号发生器。 Pwlin ：任意分段线性脉冲信号发生

器。 File： File 信号发生器。数据来源于

ASCII文件。 Audio ：音频信号发生器。数据来源于wav文件。

DState ：稳态逻辑电平发生器。 DEdge ：单边沿信号发生器。 DPulse ：单周期数字脉冲发生器。 DClock ：数字时钟信号发生器。 DPattern ：模式信号发生器。

仿真工具－虚拟仪器

虚拟示波器 (OSCILLOSCOPE)

逻辑分析仪 (LOGIC ANALYSER)

计数 / 定时器 (COUNTER TIMER)

虚拟终端 (VIRUAL TERMINAL)

信号发生器 (SIGNAL

GENERATOR)

模式发生器 (PATTERN

GENERATOR)

交直流电压表和电流表（ AC/DC

voltmeters/ammeters ） SPI调试器 (SPI DEBUGGER)

I2C调试器 (I2C DEBUGGER)

I2C总线调试窗口

仿真工具－曲线图表 模拟图表（ ANALOGUE ） 数字图表 (DIGITAL) 混合分析图表 (MIXED) 频率分析图表 (FREQUENCY) 转移特性分析图表 (TRANSFER) 噪声分析图表 (NOISE) 失真分析图表 (DISTORTION) 傅立叶分析图表 (FOURIER) 音频分析图表 (AUDIO) 交互分析图表 (INTERACTIVE) 一致性分析图表

(CONFORMANCE) 直流扫描分析图表 (DC SWEEP) 交流扫描分析图表 (AC SWEEP)

交互式仿真实例一（模拟电路）

仿真时的示波器窗口

虚拟示波器

激励源 电压探针

交互式仿真实例二（单片机电路）

游戏手柄（可映射到 PC 键盘上）

游戏显示屏（ LCD ）

引脚逻辑状态显示

CPU 运行游戏程序

高级仿真（ ASF ）实例（放大电路分析）

频率分析：用于分析电路的频率特性(幅频特性和相频特性 ) 。

模拟分析 : 用于绘制一条或多条电压或电流随时间变化的曲线。

高级仿真（ ASF ）实例（放大电路分析）

失真分析：用于确定由测试电路所引起的电平失真的程度，失真分析图表用于显示随频率变化的二次和三次谐波失真电平。

噪声分析： 显示随频率变化的输出噪声和等效输入噪声电压；并列出电路各部分所产生的噪声电压清单。

PROTEUS 微处理器系统仿真

单片机系统的仿真是 PROTEUS VSM 的主要特色。用户可在 Proteus 中直接编辑、编译、调试代码，并直观地看到仿真结果。

CPU 模型有 ARM7（ LPC21xx ）、 PIC、 Atmel AVR、Motorola HCXX 以及 8051/8052 系列。同时模型库中包含了 LED/LCD 显示、键盘、按钮、开关、常用电机等通用外围设备。

VSM甚至能仿真多个 CPU ，它能便利处理含两个或以上微控制器的系统设计。

微处理器系统仿真与分析—— 1 、原理图输入

微处理器系统仿真与分析—— 2 、建立源代码文件

1 、选择代码生成工具

2 、建立新的源代码文件

3 、源文件命名

微处理器系统仿真与分析—— 3 、源代码文件与单片机的链接

4 、源代码编辑

5 、源代码编译、链接

6 、程序加载到 CPU

微处理器系统仿真与分析—— 4 、交互式仿真

实时显示系统输出结果

实时显示元器件 引脚电平

微处理器系统仿真与分析—— 4 、交互式仿真（续）

PC串行口

COMPIM 模型实际温度测量板

PROTEUS 仿真电路 通过 COMPIM 模型，可以实现虚拟仿真电路与外部实际电路的双向通信

串行电缆

内部数据存储器窗口

微处理器系统仿真与分析——完善的调试功能

源代码窗口：提供了四种程序执行命令按钮

程序调试断点

处理器程序计数器的当前位置

SFR 存储器窗口

CPU寄存器窗口

观测窗口

部分显示单元

ARM 处理器的仿真

Proteus支持 PHILIPS的以下 ARM7芯片的仿真：

LPC2101~2106

LPC2114LPC2124LPC2131LPC2132LPC2134LPC2136LPC2138

此外还有ARM7TDMI 仿真模型

第三方工具的应用

第三方代码生成工具 (汇编编译器 ) :

Proteus许多共享汇编软件或编译器可从系统 CD 上安装到 Proteus 的 TOOLS目录下，并且会被自动作为 Proteus 的代码生成工具。

第三方源代码编辑器（文本编辑器） :PROTEUS VSM 提供了一个

简明的源代码文本编辑器 SRCEDIT , 用户还可使用第三方源代码编辑器，如 UltraEdit 。

第三方 IDE ：用户可使用第三方 IDE ，如 IAR‘s Embedded Workbench 、 Keil 、Microchip‘s MP-LAB和 Atmel’s AVR studio 开发源代码，并进行编辑，生成可执行文件（如 HEX或 COD文件）在 Proteus VSM 中，将可执行文件下载到 MCU ，然后进行仿真。

PROTEUS与 Keil联调

Keil 处于运行状态

PROTEUS 同时进入运行状态

PROTEUS 下的 C 源码调试

按单步键，可直接观察、调试C

代

码

5. 电路设计与仿真实例实例 1:单片机双机通信1)电路设计

2) 程序设计 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP INS ORG 0030H MAIN:MOV SP,#60H MOV SCON,#50H MOV PCON,#00H MOV TMOD,#20H MOV TL1,#0E6H MOV TH1,#0E6H SETB EA SETB ES SETB TR1 MOV P1,#0FFH LP0:MOV A,P1 MOV SBUF,A LP:JNB TI,LP CLR TI LJMP LP0 INS: CLR EA JNB TI,LP1 CLR TI LJMP EXIT LP1:CLR RI MOV A,SBUF MOV P2,A EXIT:SETB EA RETI END

系统初始化

TI=0？

开始

A=P1

SBUF=A

Y

关中断

A=SBUF

P2=A

中断近回

开中断

TI=1？

RI=0

3) 仿真效果

实例 2: 单片机中断应用1) 电路设计

2) 程序设计 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H SJMP INT0S ORG 0013H SJMP INT1S ORG 0030H START：MOV IE， #85H MOV TCON， #5 MOV A， #0FEH MOV P3， #0FFH SETB PX1 MOV DPTR， #TABH ST0：MOV A， #1 ST1： PUSH ACC ACALL SEG7 MOV P0， A ACALL DELAY POP ACC INC A CJNE A， #9， ST1 SJMP ST0

系统初始化

A<9 ？

开始

1送A

将A压入堆栈

取显示值送P0

调延时子程序

A出栈加1

INT0S ： PUSH ACC MOV A ， #0 LOOP ： INC A PUSH ACC ACALL SEG7 MOV P2 ， A ACALL DELAY POP ACC CJNE A ， #8 ， LOOP POP ACC MOV P2 ， #0FFH RETI INT1S ： PUSH ACC MOV A ， #0 LOOP1 ： INC A PUSH ACC ACALL SEG7 MOV P1 ， A POP ACC ACALL DELAY CJNE A ， #8 ， LOOP1 POP ACC MOV P1 ， #0FFH RETI DELAY ： MOV R7 ， #250 D1 ： MOV R6 ， #250 D2 ： NOP DJNZ R6 ， D2 DJNZ R7 ， D1 RET ORG TABH SEG7 ： MOVC A ， @A+DPTR RET DB 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h END

将A压入堆栈

0送A

A加1压入堆栈

取显示值送P2

调延时

A出栈

RETI

A<8 ？

将A压入堆栈

0送A

A加1压入堆栈

取显示值送P1

调延时

A出栈

RETI

A<8 ？

实例 3:12864 与单片机接口电路设计

1. 电路设计

系统仿真

PROTEUS ARES 应用简介

一、 ARES (Advanced Routing and Editing Software) 的基本特点 :

1.支持 16 个铜箔层 ,2 个丝印层 ,4 个机械层 ;2. 自动回注 ,支持引脚交换和门交换 ;3.丰富的器件库 ( 包括 SM782 标准的 SMT封装库 );4.三维 PCB 和元件预览5. 输出格式适合多数的打印机或绘图仪以及用于制板的 Ger

ber文件 .

PROTEUS ARES 应用简介

二、从 ISIS 到 ARES 在 ISIS 中设计好的原理图，确认器件封装正确后，点击

工具栏的“ ARES”命令按钮 就可以直接导出网络表并自动打开 ARES 。

三、 PCB 的布局布线 用 2D 工具在 Board Edge （板边）层设计 PCB 外框 设置布线策略（ Set Strategies ） 自动或人工器件布局（ Place ） 进行布线（ Route ）

PROTEUS ARES 应用——布线策略

网络选择

导线和过孔定义

板层设定安全间距设定

PROTEUS ARES 应用——布局布线

器件布局（自动＋手工） 自动布线

PROTEUS ARES 应用简介

四、规则检查 DRC （设计规则检查） ERC （电气规则检查）五、设计输出 可分层输出 Gerber文件用以 PCB 制板。

输出层设置

Gerber 格式

PROTEUS ARES 应用——预览功能

Proteus7支持 PCB 板的三维预览，便于观察器件布局和展示设计结果，用户还可以自建 3ds 格式的 3D 显示模型

PCB三维预览元件三维预览

7. 从概念到产品设计实例直流稳压电源设计

从概念到产品设计设计流程1)传统的产品开发流程

存在的问题： 没有物理原型就无法对系统进行测试； 没有系统硬件就很难对软件进行调试； 一旦出现问题 , 又得从重新做板 .

2)基于 PROTEUS 的电子产品开放流程

优点： 只要完成原理图设计就可用于系统的测试了； Proteus 的交互仿真特性使软件的调试和测试在布板之前完成； 硬件设计的改动容易得如软件设计改动一样

稳压电源电路

电路仿真

PCB 板设计

稳压电源产品

结语 ProteusVSM 的仿真内核 ProSPICE 是基于

SPICE3F5 的混合模型仿真器，可以实现模拟和数字电路的交互仿真或基于图表的仿真

丰富的处理器及外设模型，结合 ProSPICE 混合仿真内核以及各种仿真工具，可实现完整的嵌入式系统设计与验证

开放的模型设计接口，可以让用户方便地添加个性化的器件模型

Proteus 独特的仿真功能使其特别适合应用在教学和科研开发等领域。