关键词：VMLAB；AVR单片机；协同仿真

前言

在单片机应用开发过程中，当源文件的编译成功后，就要进行仿真调试工作。仿真调试可分为两大类--芯片级仿真和代码级仿真。芯片级仿真是指使用仿真软件和ICE硬件工具相配合，在实际硬件上进行仿真调试工作；而代码级仿真则完全在计算机上完成，不需要硬件的参与。两种类型的仿真各有特点，使用的场合不同。本文基于VMLAB，讲述了进行AVR单片机硬件/软件协同仿真的方法。

VMLAB的全称为：Visual Micro Lab。它针对于AVR以及ST62系列单片机设计，是一个单片机的虚拟原型（virtual prototype）框架（frame），它可以提供给用户一个真正意义上的虚拟微控制器（MCU）设计实验室。它具有强大的多窗口、多文件的编辑器，微控制器的集成开发环境，拥有一系列的集成开发工具，图形界面调试器，混合模式的模拟-数字电路仿真器，代码质量检查器等等。硬件和应用软件能进行并发仿真，与之相比，在线硬件仿真器（ICE）显得失去了意义。VMLAB可以基于MCU，仿真出包括模拟元器件在内的更多外围设备，并且它具有交互式器件（按键，电位计，液晶显示器）模拟仿真功能。

在VMLAB中进行协同仿真

首先，先介绍两个概念：

1）虚拟原型（virtual prototype）

虚拟原型是一个具体应用的集中体现，是包括软件和硬件在内的一个集合体。虚拟原型的作用是在实现这种应用之前，将其行为实现模拟出来。

2）硬件/软件协仿真（hw/sw co-simulation）

硬件/软件协仿真是指对于某一个特定应用而言，包括硬件和软件在内的全部特性都用一个虚拟原型来模拟实现。VMLAB是基于一个叫做CCCP（Concurrent C o-simulator of Circuits and Processors）的协仿真引擎来实现协仿真的。

采用基于具体应用的虚拟原型的一大好处就是：硬件部分可以通过虚拟原型来模拟仿真，这无疑会提高开发速度不再需要在线仿真器（ICE）工具，成本无疑会大大降低。

在VMLAB中，仿真是通过工程文件*.prj来管理的。工程文件的一些语法关键字如表1所示。

表1：VMLAB工程文件语法关键字（略）

仿真实验需要按如下步骤进行：

1)生成一个工程文件，选择单片机类型，指定源文件。

2)在工程文件中添加或修改单片机外围的硬件连接关系。

3)在菜单栏"view' Code Notebook"窗口中，新建或者修改源文件代码。

4)用菜单栏"project'build"命令（或者F9键）编译生成硬件/软件数据库，可以通过菜单栏"view'Messages"窗口中的"Code Maker"项来观察出错或者警告信息。

5)当编译无错误的时候，VMLAB工具栏中的绿灯便会点亮。单击这个绿灯，仿真便会一直运行下去，可以用工具栏来控制仿真流程，也可以用菜单栏"Run'……"来控制仿真流程。

6)当所有应用特性仿真通过之后，将*.hex文件下载到单片机上。

VMLAB中的基本硬件库简介

VMLAB中的基本硬件库分为四个部分，每个部分包含有不同的基本硬件。

1)基本模拟器件

包括电阻，接地电容，接地按键，LED四种。其中按键和LED全部接在控制面板上面，如图1所示。

图1　控制面中的LED，电位计和按键（略）

2）电压产生器

包括脉冲电压源，正弦波电压源，电位计（滑动变阻器）三种。

3）互式非归零码发生器（NRZ-generator）

4）其它宏模型（Macro-models）
包括：运算放大器(OPAMP)，比较器(COMP)，两输入或非门(ND2)，8位DA转换器(D2A8)，RS232，LCD模型，I2C监视器，4 4矩阵键盘。

协仿真实例

如图2所示，一个交流小信号经过运放放大，加入到单片机Atmega16的 AD输入端。

外围电路的连接可以通过在工程文件中添加如下行信息来实现：

;-------------------------------------------------------------
Xop OPAMP amppos ampneg PA7 ;添加一个运算放大器

R1 GND ampneg 100K ;添加R1

R2 PA7 ampneg 300K ;添加R2

Vsin amppos VSS SIN(0.4 0.2 20) ;添加一个信号源，
.PLOT V(PA7) V(amppos) ;在scope窗口中观察PA7和amppos节点的电压
状态

;-------------------------------------------------------------

图2　AD采用仿真实例（略）

在VMLAB中，用户可以自己定义仿真节点名称，例如上面的amppos和ampneg就是两个用户自己定义的节点，可以在节点名称中使用字母、下划线和数字，也可以使用VMLAB中预先定义好的各种类型单片机的管脚。

图3 VMLAB仿真全图（略）


结束语

与其它类似代码级仿真工具相比，VMLAB的优势在于--硬件仿真完全基于计算机完成，无需实际硬件的加入。作为一个仿真平台，VMLAB不但能够仿真出MCU和其它外围设备的大部分特性，而且能够对涉及模拟量的应用进行协同仿真。VMLAB的仿真功能甚至可以同ICE硬件工具相媲美，VMLAB使用又无疑会在开发成本方面会大为降低。