Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование устройств интерфейсов в среде Proteus. Практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Автоматизация производственных процессов»
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ
ИНТЕРФЕЙСОВ В СРЕДЕ PROTEUS
Практикум
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2019
УДК 621.396.6
Составитель: А.В. Болдырев
Моделирование устройств интерфейсов в среде Proteus:
практикум. – Ростов-на-Дону: Донской гос. техн. ун-т, 2019. – 44 с.
Практикум разработан для студентов направлений «Управление в технических
системах» и «Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм
обучения и предназначен для теоретического и практического освоения программы
схемотехнического моделирования ISIS Proteus и ее использования для моделирования
различных интерфейсов промышленных контроллеров.
УДК 621.396.6
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Ответственный за выпуск
зав. кафедрой «Автоматизация производственных
процессов» канд. техн. наук, доцент А.Д. Лукьянов
_____________________________________________________________
В печать 15.02.2019 г.
Формат 60×84/16. Объем 2,75 усл. п. л.
Тираж 50 экз. Заказ № 193.
_____________________________________________________________
Издательский центр ДГТУ
Адрес университета и полиграфического предприятия:
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
© Донской государственный
технический университет, 2019
2
Содержание
Условные обозначения……………………………………………………………………….4
Общие сведения о системе схемотехнического моделирования Proteus…..…………….5
Практическое занятие №1
ВИРТУАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ПРОГРАММЫ
СИНТЕЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ISIS PROTEUS...……………………………………...6
Практическое занятие №2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХПРОВОДНОГО ИНТЕРФЕЙСА RS-485.……..…………….10
Практическое занятие №3
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕРТЕРА УРОВНЕЙ
СИГНАЛОВ ТТЛ/RS-232………………………………………………….………………….15
Практическое занятие №4
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ИНТЕРФЕЙСА USART….………………………..…………………………..……………...21
Практическое занятие №5
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ИНТЕРФЕЙСА SPI………………………………..……………………………..…………...26
Практическое занятие №6
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ИНТЕРФЕЙСА 1-WIRE…………………………..……………………………..…………...31
Практическое занятие №7
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ИНТЕРФЕЙСА I
Практическое занятие №8
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ИНФРАКРАСНОГО
ИНТЕРФЕЙСА IrDA…….………………………..……………………………..…………...41
Рекомендуемый библиографический список………………………………………..……...44
2
C (TWI)………………………..……………………………..…………...37
3
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ПЛК - программируемый логический контроллер
МК - микроконтроллер
САПР - система автоматизированного проектирования
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
AVR, MCS51,
PIC, ARM - семейства микроконтроллеров
UART - универсальный асинхронный приемопередатчик
USART - универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик
RxD - информационный вход приемника USART
TxD - информационный выход передатчика USART
SPI - последовательный периферийный интерфейс
I2C (TWI) - последовательный двухпроводный интерфейс фирмы Philips
DIP (DIL) - тип корпуса (двухрядный) микросхем
USB - универсальная последовательная шина
ISP - программирование в системе
DTE - терминальное оборудование
DCE - связное оборудование
ТТЛ - транзистор-транзисторная логика
КМОП - комплементарная металл-окисел-полупроводник логика
UDR, UCSRA,
UCSRB, UCSRC - регистры модуля USART
SPDR, SPCR,
SPSR - служебные регистры модуля SPI
MOSI, MISO,
SCK, SS - линии интерфейса SPI
SDA, SCL - двунаправленные линии связи модуля I2C
SCL - линия синхронизации модуля I2C
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
EEPROM - электрически перепрограммируемое ПЗУ
IrDA - ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных
PIN - тип фотодиодов
OSI - эталонная модель открытых систем
4
Общие сведения о системе схемотехнического
моделирования Proteus
При проектировании микропроцессорных устройств неизбежно возникают ошибки,
которые можно обнаружить на основе анализа функционирования предварительно
изготовленного макета. Но изготовить макетную плату устройства, имеющего в своем
составе микросхемы с большим количеством выводов, весьма проблематично. Решить
данную проблему можно, используя программные средства схемотехнического
моделирования. В этом случае объектом анализа является принципиальная схема
устройства, включающая в себя компоненты, соединенные друг с другом определенным
образом. Используя модели всех компонентов и зная схему их соединений, можно
смоделировать работу устройства в целом. Такая возможность особенно важна на стадии
изучения микроконтроллеров и особенностей проектирования микропроцессорных
устройств. Нет необходимости изготавливать реальную плату или ее макет, невозможно
сжечь какой-либо компонент при неправильном его монтаже.
Одним из наиболее экономически эффективных, полнофункциональных пакетов
САПР на рынке программного обеспечения является система Proteus фирмы Labcenter
Electronics (Великобритания). В отличие от многих других (PSpice, MicroCap, Multisim и
др.) эта программа способна моделировать устройства не только на дискретных
компонентах, обычных аналоговых и цифровых микросхемах, но и на микроконтроллерах.
Для моделирования электронных схем Proteus использует обширную библиотеку
моделей компонентов, включая широкий набор микроконтроллеров (AVR, MCS51, PIC,
ARM и др.), контроллера Arduino и специализированных микросхем (температурные
датчики, часы реального времени и др.), в т.ч. для устройств интерфейсов (RS-232,
RS-422, RS-485, UART, SPI, I2C).
Библиотека электронных компонентов Proteus может пополняться самим
пользователем. Естественно, для создания полноценного библиотечного компонента
нужно хорошо знать и учесть в модели все особенности его физического прототипа.
Проявленная небрежность или «приблизительность» отзовется отличающимся в той или
иной мере от действительности поведением модели устройства, в которой будет применен
этот компонент.
В Proteus есть набор виртуальных измерительных приборов таких, как
осциллограф, логический анализатор, вольтметр, спектроанализатор, генераторы
всевозможных сигналов и др. Они позволяют определить и визуально представить
состояние в любой точке моделируемой схемы, а также наблюдать процессы,
происходящие в ней. Имеется возможность наблюдать за состоянием внутренних
регистров микроконтроллеров разных семейств, корректировать и отлаживать их
программы.
Возможность проверять работу микроконтроллеров всех популярных семейств в
реальном масштабе времени и во взаимодействии с моделями реальных источников
сигнала и нагрузок выгодно отличает Proteus от простейших симуляторов, имеющихся в
системах разработки программ и зачастую позволяющих лишь следить за ходом
пошагового исполнения программы.
Интересной особенностью Proteus является возможность соединения виртуальной
схемы, созданной в редакторе пакета, с реальными объектами, подключаемыми через
5
физические порты компьютера USB и СОМ, к которым привязываются одноименные
виртуальные порты схемы. Это позволяет максимально приблизить условия
компьютерного моделирования к физическому за счет формирования сигналов от
реальных датчиков и управления реальными исполнительными устройствами.
В остальных «традиционных» случаях компьютерного моделирования не следует
забывать, что результаты такого моделирования и отладки верны лишь в той мере, в
которой свойства использованных моделей компонентов совпадают с реальностью.
Например, в моделях нередко учитываются лишь главные свойства прототипа, а
существенными для проверяемой конструкции, но неучтенными, зачастую оказываются
второстепенные характеристики. Поэтому компьютерное моделирование вовсе не
отменяет необходимости знания принципов и особенностей работы тех или иных узлов и
проверки полученных результатов на реальном устройстве.
Программный пакет Proteus состоит из двух модулей: ISIS – программа синтеза
и моделирования непосредственно электронных схем и ARES – программа разработки
печатных плат. Вместе с самим пакетом Proteus устанавливается широкий набор
демонстрационных проектов для ознакомления с работой системы, с которым
целесообразно ознакомиться. В настоящей работе рассматриваются основные
возможности только модуля ISIS. Более детальную информацию можно получить, выбрав
пункт меню Help.
Практическое занятие №1
ВИРТУАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ПРОГРАММЫ СИНТЕЗА И
МОДЕЛИРОВАНИЯ ISIS PROTEUS
Цель занятия: Изучение интерфейса и виртуальных инструментов программы ISIS
Proteus, приобретение навыков их применения для синтеза и
моделирования простых электронных схем.
1. Интерфейс системы моделирования Proteus
При запуске Proteus появляется главное окно Home Page, представляющее сводную
информацию о системе. Для входа в модуль ISIS следует нажать одноименную кнопку
меню в верхней части главного окна. Появляющееся окно ISIS Schematic Capture состоит
из нескольких областей, наибольшая из которых является рабочим окном редактирования.
Вверху находятся пункты меню, предоставляющие пользователю полный набор
возможных действий, имеющихся в ISIS Proteus. Под ним расположены кнопки верхней
панели инструментов, позволяющие выполнить часто используемые команды такие, как
открытие и сохранение проекта, масштабирование и позиционирование принципиальной
схемы устройства, копирование и перемещение выделенных областей схемы. На левом
краю рабочего окна расположена левая панель инструментов, с помощью которых, в
основном, и проектируется принципиальная схема устройства. Следует понимать, что
одно и то же действие можно выполнить различными способами, используя систему
6
меню, панель инструментов или контекстное меню, выпадающее при нажатии правой
кнопки или двукратном нажатии левой кнопки мыши.
В левом верхнем углу главного окна располагается окно предварительного
просмотра, позволяющее оперативно перемещаться по схеме проекта. Под ним
расположено окно, куда выводится различная информация, характер которой зависит от
того, какая из кнопок нажата на левой панели инструментов. Это может быть список
компонентов схемы, меток, виртуальных инструментов, пробников и т.д. Внизу на
краю главного окна расположены четыре кнопки управления процессом
моделирования, задающие его старт, пошаговое выполнение программы
микроконтроллера, паузу и остановку процесса моделирования.
К наиболее часто используемым кнопкам левой панели инструментов относятся:
Selection Mode. При нажатой кнопке пользователь получает возможность
редактировать схему устройства, т.е. выделять отдельные компоненты или
структурные блоки, копировать их в буфер, удалять, масштабировать, и т.д. Можно
позиционировать схему, перемещая в окне предварительного просмотра (справа от
кнопки) перекрестие «прицела» при нажатой левой кнопке мыши. Вторичное нажатие
кнопки мыши фиксирует положение схемы в окне редактирования.
Component Mode. При нажатии кнопки в соседнем с ней окне появляется
список используемых в открытом проекте компонентов (если проект еще не создан,
список пустой). Выделив левой кнопкой мыши любой из компонентов списка, можно
вторичным нажатием левой кнопки установить его в произвольном месте окна
редактирования. Двукратное нажатие правой кнопки мыши удаляет компонент из окна
редактирования. С помощью кнопки «Р», расположенной под окном предварительного
просмотра, открывается окно поиска компонентов Pick Device, предназначенное для
входа в библиотеку компонентов системы Proteus. В этом окне все компоненты
структурированы по категориям, подкатегориям и изготовителям. Каждый компонент
имеет краткое описание и графическое изображение на принципиальной схеме.
Нажатие в окне клавиши «Ok» помещает выбранный библиотечный компонент в
список компонентов проекта, откуда его можно переместить в окно редактирования.
Таким способом все необходимые для проекта компоненты из библиотеки перемещаются
в окно редактирования.
Junction Dot Mode. При нажатой кнопке можно соединить любое пересечение
проводников на схеме. Соединение выводов компонентов друг с другом можно
осуществлять и при других нажатых кнопках, например, сразу после установки
компонентов в окне редактирования, т.е. при нажатой кнопке «Component Mode».
Сам процесс соединения сводится к подведению курсора к выводу компонента
(при этом на схеме появляется образ контактной площадки), нажатию левой кнопки
мыши и проведению проводника к другому выводу компонента или другому проводнику.
После этого для фиксации соединения следует нажать левую кнопку мыши. Если в
процессе соединения компонентов проводник не устанавливается в необходимое
положение, то можно прокладывать проводник по частям, фиксируя положение точек
изгиба проводника нажатием левой кнопки мыши.
Wire Label Mode. При нажатой кнопке можно присвоить любому проводнику имя.
Это позволяет соединять отдельные выводы компонентов и цепи условно, без
явного использования проводников.
7
Text Script Mode. При нажатии кнопки можно вставить текст в любое место схемы
в окне редактирования. Полезно для создания комментариев при проектировании
устройств.
Buses Mode. При нажатой кнопке можно проложить на принципиальной схеме
шину, состоящую из нескольких проводников.
Subcircuit Mode. Кнопка позволяет создать субсхемы, представляющие собой
некие функциональные блоки с выводами-соединителями.
Terminals Mode. Кнопка позволяет установить на принципиальной схеме
устройства такие элементы, как питание, общая шина, межблочные соединения,
выводы.
Device Pins Mode. Кнопка позволяет добавить вывод к создаваемому
компоненту.
Graph Mode. При нажатой кнопке в окне редактирования можно установить набор
графических инструментов, предоставляющих пользователю широкие возможности по
отображению сигналов, их детальному анализу и математической обработке, а также
сохранению результатов моделирования. Причем контуры поля графиков любых размеров
могут быть «нарисованы» мышкой в любом месте рабочего окна. Отпускание и повторное
нажатие левой кнопки мыши фиксирует выбранные размеры поля и делает его видимым.
Generator Mode. Нажатие кнопки выводит список генераторов сигналов различной
формы: синусоидальный, импульсный, экспоненциальный и т.д.
Probe Mode. Предназначен для указания точки проводника, в которой необходимо
измерить напряжение или ток, и присвоения имени участку цепи с данной
точкой. Используется совместно с графическими средствами измерения напряжения и
тока (см. кнопку «Graph Mode»).
Instruments Mode. При нажатии кнопки появляется список виртуальных
инструментов, среди которых генератор сигналов специальной формы, 4канальный осциллограф, вольтметры и амперметры постоянного и переменного токов,
виртуальный терминал и др. Виртуальный генератор сигналов, в отличие от выше
рассмотренного генератора, вызываемого кнопкой «Generator Mode», может изменять
параметры тестового сигнала непосредственно в процессе моделирования работы
устройства. Для этого на его лицевой панели имеются специальные органы управления,
позволяющие оперативно, без остановки процесса моделирования изменять форму
сигнала, его частоту и амплитуду. С помощью осциллографа можно исследовать сигнал в
реальном масштабе времени. Как и у других виртуальных инструментов в нем имеются
органы управления, позволяющие изменять частоту развертки, чувствительность,
настраивать цветовую гамму изображения (луч, дисплей, сетка, курсор) и т.д.
Для измерения напряжения или тока к участку цепи на принципиальной схеме
устройства подключают вольтметр или амперметр так, как если бы это были реальные
приборы, после чего запускают процесс моделирования. При остановленном процессе
моделирования можно изменить диапазон измерения, т.е. превратить вольтметр,
например, в милливольтметр. Виртуальный терминал позволяет смоделировать обмен
данными между микроконтроллером и персональным компьютером, использующими
для этого последовательный RS-интерфейс. Другие виртуальные инструменты
позволяют решать задачи, связанные с отладкой работы периферийных устройств,
взаимодействующих с микроконтроллером посредством SPI- или I2C-интерфейсов.
8
2. Порядок выполнения задания
1. Ознакомиться с изложенным выше кратким описанием интерфейса системы
моделирования Proteus.
2. Изучить работу виртуальных инструментов модуля ISIS Proteus, для чего
создать принципиальную электрическую схему, содержащую виртуальный генератор
сигналов специальной
формы и виртуальный
осциллограф. С помощью
последнего исследовать
форму сигналов и их
основные параметры, такие
как амплитуда, частота и
скважность.
3. Заменить в схеме виртуальный генератор на обычный генератор сигналов,
устанавливаемый кнопкой «Generator Mode» на левой панели инструментов и провести
аналогичные измерения, варьируя форму выходных сигналов и их основные параметры в
окне Sine Generator Properties, которое открывается из контекстного меню как Edit
Properties.
4. Подключить к нагрузке вольтметр переменного тока и измерить действующее
значение напряжения, изменяющегося по синусоидальному закону.
5. Подключить к нагрузке вольтметр постоянного тока, задать период
синусоидального сигнала генератора около 100 с и произвести измерения напряжения на
нагрузке.
6. Дополнить схему аналоговым графопостроителем ANALOGUE (кнопка
«Graph Mode» на левой панели инструментов) и произвести измерение и анализ
синусоидального сигнала частотой около 10 Гц. Конечное время моделирования
установить равным 0,5с в окне Edit Transient Graph, которое открывается из
контекстного меню как Edit Properties. Предварительно следует указать точку измерения
щупом напряжения (кнопка «Probe Mode») и выбрать метку щупа в поле Probe P1 окна
Add Transient Trace, которое открывается из контекстного меню как Add Traces… В
результате в черном поле графопостроителя образуются оси графика с соответствующей
разметкой. Другой способ формирования осей заключается в захвате левой кнопкой мыши
выделенной метки щупа и ее перетаскивании на черное поле графопостроителя с
последующим отпусканием кнопки мыши. Симуляция самого графика осуществляется
нажатием клавиши «Space» или выбором в контекстном меню Simulate Graph.
7. Дополнить схему графическим спектроанализатором FOURIER и произвести
измерение спектра синусоидального и импульсного сигналов частотой около 10 Гц.
Конечное время моделирования установить равным 10 с, максимальную частоту – 100
Гц, разрешение – 1 Гц, воспользовавшись окном Edit Fourier Analysis Graph, которое
открывается из контекстного меню как Edit Properties. Формирование осей и симуляция
графика аналогичны пункту 6. Перемещая курсор по спектру, измерить амплитуду
основной гармоники и сравнить ее со значением, устанавливаемым в настройках
генератора синусоидального сигнала.
8. Оформить протокол и ознакомиться с контрольными вопросами.
9
3. Содержание отчета
1. Название и цель занятия.
2. Скриншоты схем, исследованных в работе.
3. Скриншоты графиков характеристик, полученных виртуальным осциллографом,
аналоговым графопостроителем и спектроанализатором.
4. Основные выводы по выполненному заданию.
4. Контрольные вопросы
1 . Чем отличается система Proteus от других САПР аналогичного назначения?
2 . Из каких модулей состоит система Proteus?
3 . Какое окно появляется при запуске системы Proteus?
4 . Что собой представляет окно ISIS Schematic Capture?
5 . Какими способами можно выполнить одно и то же действие в системе Proteus?
6 . Перечислите наиболее часто используемые кнопки панели инструментов.
7 . Каким образом формируется список компонентов проектируемой схемы?
8 . Каким образом формируются поля графопостроителей?
9 . Каким образом формируются оси графиков в полях графопостроителей?
10. Как задаются параметры виртуальных инструментов с помощью контекстного меню?
Практическое занятие №2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХПРОВОДНОГО ИНТЕРФЕЙСА RS-485
Цель занятия: Изучение элементной базы интерфейса RS-485 и приобретение
навыков моделирования его двухпроводной версии в среде Proteus.
1. Элементная база интерфейса RS-485
Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной
автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET,
BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что
по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех
возможных при современном уровне развития технологии.
Элементная база интерфейса в значительной степени определяет его
преимущества:
Относительно низкая себестоимость микросхем драйверов, что снижает стоимость
аппаратной реализации сетевых диспетчеров, т.е. узлов связи между сетевой
средой (линиями связи) и ядром станции (узла) сети, т.е. микроконтроллерной или
микропроцессорной системой;
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]