單片機系統計算機輔助設計工具及軟硬件設計和仿真

【摘要】利用C51語言作為編程語言，將KEIL與Proteus以及雙龍軟件當做用來進行軟件編譯、測試、仿真、下載、制作的工具，利用這些工具能夠便捷地對51單片機進行軟件設計，還可以用來進行硬件仿真和電路板制作，是非常適合首選的計算機輔助開發工具組合。以下還對單片機系統開發方式和工具的設想進行了一些討論。

【關鍵詞】單片機系統；計算機；輔助軟件；設計工具；硬件設計；仿真

選用合理的計算機輔助軟件技術與工具來對單片機進行輔助，以便其控制系統能夠發揮良好的作用，對其系統的設計與開發還能夠在節省人力方面起到很大的效果，形成一種電腦解放人腦的絕對優勢。而在早期階段的Z80單片機，即使采用了匯編語言進行編程，但機器識別編碼的能力非常的弱，只能夠識別由1和0形成的編碼，所以此單片機在進行編程后還要利用人工對其進行翻譯并要翻譯成機器能夠識別的編碼，還要將其人工翻譯成的機器碼再輸入進單片機內，經過這樣一個繁瑣的過程后才能夠對軟件進行調試。但在科學技術發達的今天，此種勞動力早就已經被電腦技術所代替，而且其勞動功效大大提高了許多。即使有了現在的科學技術，也不能夠滿足人們對高效方法的不斷追求和對其更具有高效工作效率工具的開發。目前在單片機系統設計開發技術上，利用計算機輔助設計和軟硬件結合仿真的開發設計工具已被許多的開發者所采用。

1.51單片機控制系統設計開發工具及選用

1.1 由于科學技術的不斷發展，在單片機技術領域有了很大的進步，對51系統單片機的開發工具和設備上有了很多的技術成果，例如，能夠采用C語言開發51單片機程序，而經常使用其開發軟件的公司就有加拿大軟件公司DAVEDUNFIELD推出的MICRO-C51編譯器、IAR公司和2500A.D公司開發的編譯器、Windows 集成開發環境Keil軟件等。而在我國利用這項技術的公司有MedWin集成開發環境、偉福集成開發軟件等。對于功能比較齊全的集成開發環境來說，能夠把用戶在開發利用軟件適應過程中所需要的整體工具采用有效的方式將其進行結合，具體所采用的工具都有編輯器、高級語言編輯器、匯編器、定位/連接器等，這些工具的使用可以有效的優化用戶開發環境。具有軟件硬件仿真工具的公司有Nahau公司的EMUL51XA-PC隨時在線的仿真器、英國Labcenter公司的Proteus軟件等。

1.2 對于8051單片機的應用程序來說，可以采用匯編語言，使用匯編語言的好處就是能夠與硬件相結合形成一定的關聯，這樣就能夠快速便捷的運用硬件功能，其所使用的資源非常小、執行的速度較快。對于后來所開發的C51語言來說，能夠便捷的實現程序設計模塊化、其代碼可讀性好、維護起來較簡單、升級速度快，并且經過實驗證明，在大部分應用條件下執行效率能夠與匯編語言非常的接近，利用C51語言來進行單片機軟件編程具有很大的優點，在市場上的競爭具有非常大的優勢。所以利用C51來對單片機進行程序設定已經受到了社會的廣大認可，并成為了主流形式之一。

1.3 而在C51的編譯執行方面，現在非常常見的是KEIL51軟件。KEIL51是德國KEIL公司開發單片機C語言編譯器，其之前被稱為KELINC51，其形成了文件編輯處理、編譯鏈接、項目管理、窗口、工具引用和軟件仿真管理等許多功能，在其仿真技術中，具有兩個類型的仿真模式：軟件模擬方式與目標板調試方式。根據其模擬仿真模式來看，根本不需要利用8051單片機硬件就可以形成程序仿真調試，這樣能夠在用戶程序的開發效率上得到很高的提高。

綜上所述，可以根據其整體使用作用與工具軟件得到其成本，使用51單片機的計算輔助設計工具的組合方式都有以下內容：可以采用C51語言當做編輯語言的關鍵點，KEIL與Proteus以及雙龍軟件作為其軟件的編譯、調試、仿真、下載和制作PCB板的重點工具軟件，據調查發現這是市場上性比價較好的組合，并且這些軟件還能夠滿足常用需求的免費版本。

2.51單片機的計算機輔助設計工具組合的使用

2.1 設計系統的硬件結構和軟件各模塊流程圖

第一步可以先依照一個單片機控制系統的作用要求，對其進行硬件電路和軟件的整體結構進行具體設計，根據對每個模塊軟件的設計中獲取程序流程圖。圖1所示是根據其功能與硬件工作原理設計的流程圖。

2.2 利用C語言進行編輯

C51是利用標準C模塊命令與規則作為基本條件來對其進行擴展，能夠便捷的設計出模塊程序。根據設計出的模塊流程圖，可以簡單的對每個程序模塊依據流程圖利用C語言來進行編程。而且編寫程序還能夠啟動Proteus畫出單片機電路。

2.3 利用Proteus畫出單片機電路

若是要對硬件電路實現仿真，就要利用Proteus畫出單片機系統的電路，通常情況下能夠按照系統的每個模塊分別畫出電路，若對其進行仿真后再組合成總成電路，也能夠將整個電路以此畫出。對于使用的視電路方式、軟件的難易程度以及調試難易程度的具體狀況來決定。圖2所示是利用Proteus畫出的電路圖。

2.4 軟硬件結合仿真和調試

能夠利用KEIL軟件對已經編譯成功的C51語言程序進行進一步的編譯，等到編譯形成后就能夠在KEIL上進行調試，此時就可以利用KEIL和Proteus結合運作進行軟、硬件的調試和仿真。在這一過程中通常情況下是需要非軟、硬件的設計采取多次的改動和仿真調試的。

2.5 對硬件電路的制作

只有經過對軟硬件的調試后才能夠制作硬件電路，此時便能夠利用Proteus的ARES軟件簡便的進行PCB板的設計與制作，之后才能夠對軟件進行安裝。

2.6 實際軟硬件調試、修改

根據以上步驟的運行，現在可以對硬件電路的實際軟件調試和修改逐漸實現。這樣就能夠利用雙龍軟件把事先調試好的程序按步驟下載到硬件電路的8051單機片中來進行具體的測試調整。因為目前的仿真軟件還不能夠完全與真實電路的效果相同，因此此時的硬件電路和軟件業也可以做更多的改進。

3.討論

3.1 根據在日常中的使用效果，以上的計算機輔助設計仿真工具進行一定的組合后可以繼續一般狀況的調試、仿真、下載、制作PCB板等工作，從而在51單片機控制系統的設計、制作和調試工作效率上得到很大的提高。Proteus可以對很多類型的單片機運行仿真技術，因此這種方式能夠得到許多單片機系統設計的運用，但以上所提到的KEIL等需要利用其它的單片機采取與之對應的軟件。

3.2 對于這種仿真技術來說，在其使用過程中有以下兩種問題。

（1）運用仿真技術來進行工作和運用真實的電路來進行工作存在一定的差別。而站在硬件的仿真結果的角度來說，其結果與實際狀況或許會有一些不同，出現這一現象的原因是由于硬件在實際運行過程中其狀況存在一定的復雜性，對于仿真來說，就是利用程序來進行模擬實際元件的工作情況，但還需要靠人來進行程序的編輯，而人工編輯是難以將全部模擬電子元件的實際情況充分展現出來的，尤其是很多元件在一起工作時。

（2）元件仿真模擬不足。即使Proteus含有非常豐富的元件庫，其元件有一部分是能夠在電路圖時使用的，但有一部分在進行程序仿真時就不能完成仿真，而這是因為沒有與之相對應的方程程序而造成的。

3.3 對于以上的問題，其解決的辦法有以下幾種。一是采用具有同樣功能的不同型號元件取代進行仿真；二是查找與之對應的仿真模型程序來進行工作；三能夠自己建立元件，即自己為元件設計仿真模型程序。

4.小結

通過以上對單片機系統計算機輔助設計工具及軟硬件設計和仿真技術的分析研究，可以對其進行一些設想。EDA（電子設計自動化）中的一項技術就是利用硬件來描述語言VHDL，依照預想的功能寫出對設計文件的具體描述，就可以利用計算機自動地完成這些功能的邏輯電路圖。

參考文獻

[1]陳龍三.單片機系統計算機輔助設計工具及軟硬件設計和仿真[M].清華出版社，2010.

[2]張里娜.單片機系統計算機輔助設計工具及軟硬件設計和仿真[M].電子工業出版社，2011.