2013-12-18 13:08:01 [显示全部楼层]
7218浏览
查看: 7218|回复: 0

[资讯] 【转贴】Proteus仿真Arduino

[复制链接]

一、前言     

     Arduino是由Massimo Banzi,David Cuartielles,Tom Igoe,Gianluca Martino,David Mellis 和Nicholas Zambetti共同开发的。据说Auduino开发团队的领袖Massimo Banzi 之前是意大利Ivrea 一家高科技设计学校的老师。他的学生们经常抱怨找不到便宜好用的微控制器。2005年冬天,Massimo Banzi 跟David Cuartielles 讨论了这个问题。David Cuartielles 是一个西班牙籍芯片工程师,当时在这所学校做访问学者。两人决定设计自己的电路板,并引入了Banzi 的学生David Mellis 为电路板设计编程语言。两天以后,David Mellis 就写出了程式码。又过了三天,电路板就完工了。这块电路板被命名为Arduino。几乎任何人,即使不懂电脑编程,也能用Arduino 做出很酷的东西,比如对传感器作出回应,闪烁灯光,还能控制马达。

【转贴】Proteus仿真Arduino图1

图2  Arduino开发团队(两个意大利人、两个美国人和一个西班牙人)
    Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台,包含硬件(各种型号的arduino板)和软件(arduino IDE)。它适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。
  Arduino可以用来开发交互产品,比如它可以读取大量的开关和传感器信号,并且控制各式各样的电灯、电机和其它物理设备,Arduino也可以开发与 PC相连的外围设备,能在运行时与PC上的软件(比如Flash, Processing, MaxMSP)进行通信。
    Arduino硬件电路板可以根据共享图纸,自行焊接组装,也可以购买已经组装好的,软件则可以从Arduino网站免费下载使用。
     Arduino 1.0最新版下载地址:http://arduino.cc/en/Main/Software。  

【转贴】Proteus仿真Arduino图2

图3  Arduino软硬件原型开发平台
       Arduino为啥这么红,我想Arduino单片机较其他微控制器有以下5点优势:1、您学习Arduino单片机可以完全不需要了解其内部硬件结构和 寄存器设置,仅仅知道它的端口作用即可;所以不需要硬件知识,只要会C语言,就可立即为Arduino单片机编程。2、Arduino软件语言为精简指令 系统,所需掌握的指令不多,但指令的功能却很强大,往往一条指令就可以完成一整套操作,而且指令的可读性也好,属于低门槛的语言,轻松上手,快速应用。 3、针对周边I/O设备的Arduino编程,由于很多I/O设备都随之带有库文件或者样例程序,所以在自己的程序中,可以引用库文件中的函数,或复制样 例程序,然后修改下其中的参数,即可迅速编写出大段大段的复杂程序,从而放大了您的编程能力。4、Arduino开源硬件在创客界十分流行。所谓开源产品 定义,不仅是其软硬件底层信息完全公开,而且还在于产品的应用资讯可以从Arduino相关网站、博客里的大量共享资源里获得,所以在共享资讯的辅助下, 能激发出您创意作品的灵感,并加快您创作作品的效率。5、国内在开源硬件的制造能力非常强,涌现出被意大利Arduino公司认可的代理商,如 DFRobot、Seeed Studio公司,这些公司提供了丰富的质廉Arduino及周边产品,所以在国内学习和应用Arduino具有得天独厚的硬件资源优势。
    但是如果是初学者,想先不花钱买硬件设备,那么是否也能体验下Arduino系统呢?通过仿真的方法是可以的,目前最流行的单片机仿真软件当属Proteus了,这篇文章就介绍用Proteus软件来仿真Arduino单片机的应用。
    Proteus软件是初学者入门的首选软件,它是英国Labcenter公司的一款商业版电路设计与仿真软件。它包括ISIS、ARES等软件模块。 ARES模块主要用来完成PCB的设计,ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSM技术,它与其他软件最大的不同 也是最大的优势就在于能仿真大量的单片机芯片,比如MCS-51系列、PIC系列等等,甚至ARM处理器,以及单片机外围I/O电路,比如键盘、LED、 LCD等等。

二、Arduino单片机的Proteus仿真方法
    Arduino单片机的Proteus仿真基本过程是:软件在Arduino IDE编程软件里编写,硬件在Proteus ISIS软件模块里通过绘制电气原理图建立。程序编写完后,选择Arduino IDE编程界面菜单栏的Tools菜单项,再选择Board→Arduino Duemilanove w/ATmega328,也可以选择Board→Arduino Uno,然后点击编译按钮,生成Hex文件(二进制机器码文件)。有了Hex文件,接着转到Proteus电气原理图,双击原理图中的型号为 ATMEGA328P 单片机芯片,出现对话框,通过文件目录浏览的方法确定Hex文件存储位置,并进行一些单片机芯片工作状态参数的设置,最后点击Proteus ISIS软件界面左下方的播放按钮,就可以看到Arduino单片机在Proteus仿真环境中的运行效果了。

【转贴】Proteus仿真Arduino图3

图4 Arduino程序的编译
        图4中显示的程序是一个最简单的Arduino单片机项目实例,任务是:连在Arduino单片机数字端口13上的LED发光二级管,让它不断闪 烁。要想成功仿真这个项目,有两点要特别注意,一是Arduino程序的Hex文件生成和位置确定,二是Proteus原理图中的Atmel328P芯片 中Hex文件加载和工作参数设置。

【转贴】Proteus仿真Arduino图4

图5 Arduino项目实例LED闪烁的硬件原理图
       Arduino编译之后,Hex文件会自动删除,而在Proteus仿真的Arduino单片机中,需要使用Arduino软件产生的Hex文件,可 是,Arduino  1.0默认使用完Hex文件会自动删除的,所以取不到hex文件,为了取出hex文件,加载到Porteus中的单片机 ATMEGA328P,需要修改如下:
     首先要在D盘建立一个文件夹,用来专门放置Hex文件,文件名可以随便取名,我命名为Arduino_Hex,然后点击Arduino软件界面菜单 栏的File->preferences,打开对话框,如图6,把Show verbose output during的两个参数项打勾,双击preferences.txt文件,找到文件所在位置,再双击,用记事本打开文件。这时要点击Arduino界面 preferences对话框下方的OK按钮,接着关掉Arduino IDE编程界面。最后,在刚才打开的preferences文档的最后一行编辑加入build.path=d:\Arduino_Hex,保存文档。这样 以后您再编译Arduino程序,就可以在d:\Arduino_Hex中,看到编译的Hex目标文件了。(所有图片双击,都可以放大!)

【转贴】Proteus仿真Arduino图5

图6 Arduino的Preference参数设置
     谈完了Arduino程序的Hex文件生成和位置确定,再谈谈另一个值得注意的问题,Proteus原理图中Atmel328P芯片的Hex文件加载和工作参数设置。
     双击图5中的Proteus ISIS电气原理图中ATMEGA328P单片机,出现编辑对话框,点击“Program File”参数项的“文件夹”按钮,来确定Hex文件的位置,到d:\Arduino_Hex文件夹中可以找到当前程序的Hex文件。上个程序的Hex文 件会被新编译的Hex文件“冲掉”,所以您每次仿真项目时,都要编译一次Arduino程序。

【转贴】Proteus仿真Arduino图6

图7 Proteus中的ATMEGA328P单片机的Hex文件加载和参数设置
      确定了Hex文件,还有三个参数项要修订,一是“CLKDIV8(Divide clock by 8)”参数项修改为“Unprogrammed”;二是“CKSEL Fuses”参数项修改为“(1111)Ext. Crystal 8.0-MHz”;三是Advanced Properties的Clock Frequency参数项设为16Mhz。最后点击编辑对话框的“确定”按钮,然后就可以仿真了。
     网络上有一个Arduino单片机的Proteus仿真视频,讲解的就是图5所示LED灯闪烁的项目,可以看看Proteus电气原理图是如何建 立,Arduino程序是如何编写,以及程序编译后是如何仿真的过程。只不过这个视频中,Arduino程序编译后的Hex文件,并没有在自己指定的文件 目录里找到,而是还是用老办法在默认目录里找到。

三、Arduino单片机的Proteus仿真项目实例
       这个仿真项目实例的任务是:分别按下K1(正转)按钮、K2(反转)按钮和K3(停止)按钮,直流电机会分别产生相应的动作,而且当调节电位计时,电机的转速也随之发生变化。(所有图片双击,都可以放大!)

【转贴】Proteus仿真Arduino图7

图8 直流电机正反转、启停和调速仿真图
    图8中的电气符号用到了芯片元件、电源终端、虚拟仪器和连线标号,它们分别从各自的模式库中提取出来。

【转贴】Proteus仿真Arduino图8

图9 仿真图中的电气符号的提取
    仿真图中,电源终端用到了VCC电源与接地符号,虚拟仪器用到了四通道示波器和直流电压表,连线标号的作用是相同连线标号的两根线在电气意义上是相连的, 如图8中的标号A、B和PWM。至于芯片元件,仿真图里用到了电阻、电容、CPU、晶振、直流电机、稳压管、L298N驱动等等,芯片元件的提取通常有两 种方法,父、子类别检索方法和关键字查询法。
    父、子类别检索方法是:先选择元件模式库,再点击“P”按钮,打开元件查询提取对话框,如图10所示,例如提取的元件是单片机芯片ATMEGA328P, 先在类别里找到Microprocessor ICs,在子类别里找到AVR Family,再在制造商里找到Atmel,然后在缩小了寻找范围的结果中找到这个单片机芯片ATMEGA328P,找到后双击芯片,就可以把芯片提取到 ISIS界面左侧的DEVICES栏中,供原理图绘制时随时选用,如图11所示。

【转贴】Proteus仿真Arduino图9

图10 芯片元件的父、子类别检索法
     关键字查询法是:如果事先知道要提取的元件名称,可以在元件查询提取对话框左上方的关键字输入栏里输入元件名称,如搜寻motor元件,直接输入motor,回车后,在结果中可以很容易地找到所需元件。

【转贴】Proteus仿真Arduino图10

图11 芯片元件的关键字查询法
    按照图8所示的直流电机控制电气原理图,把硬件线路绘制完成,剩下的事就是编写程序,编译仿真了,我设计的这个仿真项目正好把数字量和模拟量输入输出都涉 及到了,按钮输入和驱动芯片L298N的电机转向控制端A、B是数字量输入输出,电位计输入和L298N的转速调节控制端PWM是模拟量输入输出。
    数字量输入输出的Arduino命令分别是digitalRead(数字端口号)和digitalWrite(数字端口号,LOW或HIGH);模拟量输 入输出的Arduino命令是analogRead(模拟端口号)和analogWrite(数字端口号, 0~255)。模拟端口只有输入模式,没有输出模式,Arduino模拟量输出是以PWM信号形式从具有PWM输出功能的数字端口输出的。Arduino 微控制器的数字端口和模拟端口与ATMEGA 328芯片引脚的对应关系图如下。标有0~13标号的引脚对应的是数字端口,在0~13前面有符号“~”的引脚对应的端口具有PWM输出功能。标有 A0~A5标号的是模拟端口。

【转贴】Proteus仿真Arduino图11

图12  Arduino UNO端口与Atmega328P引脚对应图
   有了Arduino UNO端口与Atmega328P引脚对应图,就可以方便地利用Proteus硬件仿真图,有针对性地编写Arduino程序了。由于以下程序中有详细的注释,所以对每行Arduino程序的作用就不再累述了。
Arduino程序:

//任务:通过按钮控制电机启停和正反转,通过电位计调节电机转速。

int K1=5;  //把K1(正转)按钮连在数字端口5
int K2=6;  //把K2(反转)按钮连在数字端口6
int K3=7;  //把K3(停止)按钮连在数字端口7
int potpin = 3; // 把电位计连在模拟端口3
int A=2;   //数字端口2、3控制电机启停和转向
int B=3;  
int PWMpin = 9; // 数字端口9输出PWM信号,控制电机转速
//初始化
void setup()
{
   pinMode(K1,INPUT);//把数字端口5、6、7设置输入模式
   pinMode(K2,INPUT);
   pinMode(K2,INPUT);
   pinMode(A,OUTPUT);//把数字端口2、3设置输入模式
   pinMode(B,OUTPUT);
}
//主程序
void loop()
{
   //如果按下K1(正转)按钮
  if(digitalRead(K1)==LOW)
  {
    //电机正转
    digitalWrite(A,HIGH);
    digitalWrite(B,LOW);
  }
  //如果按下K2(反转)按钮
  if(digitalRead(K2)==LOW)
  {
    //电机反转
    digitalWrite(A,LOW);
    digitalWrite(B,HIGH);
  }
  //如果按下K3(停止)按钮
  if(digitalRead(K3)==LOW)
  {
    //电机停止
    digitalWrite(A,LOW);
    digitalWrite(B,LOW);
  }
  int sensorValue = analogRead(potpin); //读取电位计采样值     
  sensorValue = sensorValue/4; // 采样值 0-1024 转换为 0-255
  analogWrite(PWMpin, sensorValue);//把处理后的转换值以PWM信号形式输出
  delay(20);//延时
}


     把程序编写完,编译Hex文件,再把Hex文件加载到Proteus仿真图中Arduino单片机芯片中,最后点击仿真图左下方的播放按钮,就可以看到基于Arduino直流电机控制项目的运行效果了。

四、结束语
    经常有对创客文化感兴趣的网友,询问这样的问题,是否可以少投入些硬件成本,而又能用Arduino单片机多多做些趣味电子项目。所以这篇文章就是谈在资金不足的情况下,如何通过仿真的方法来实现我们创意实践。
    为啥有必要学习Arduino呢?其实许多学习者曾经为了追赶电子科技的进步,也花了大量的精力去一个个地学习那些微控制器和智能逻辑部件,如51、 ARM,DSP和FPGA,当初仅仅是为做一些应用,没想会消耗那么多的时间和金钱,“陷在”了冷酷的程序和无止尽的硬件原理中,最后也只是做了些走马灯 和数码管秒表实验,就草草结束,而又去追新了。这样追逐哪有什么利用微控制器做应用的乐趣可谈。好在目前秉承开放式学习架构的Arduino系统越来越流 行,它可以让所有乐于创作的人在短时间之内就可以完成一个作品,并且可以透过网络,获得大量共享资讯的支援。您会发现,有了Arduino,微控制器的世 界不再那么的陌生和令人敬畏,微控制器就是一个易用的工具,让我们能够腾出精力全力投向作品中最能体现个人创新精神的部分。

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

为本项目制作心愿单
购买心愿单
心愿单 编辑
[[wsData.name]]

硬件清单

  • [[d.name]]
btnicon
我也要做!
点击进入购买页面
上海智位机器人股份有限公司 沪ICP备09038501号-4

© 2013-2024 Comsenz Inc. Powered by Discuz! X3.4 Licensed

mail