Arduino UNO仿真开发环境设置和仿真运行

一. Proteus仿真平台简介

    Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。现已受到电子类特别是单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用等的科技工作者的青睐。以前的如EWB等软件只能仿真数字电路和模拟电路，不能仿真CPU和程序。

    当前网上Proteus有7.8 SP2，7.10 SP0，8.0等几个版本，这几个JM的版本都比较稳定。这些版本的元件模型格式是兼容的，DSN仿真原理文件是一样的。8.0版本只是把DSN原理图、软件编辑环境和编译器集成为一个工程文件，成为一个象“傻瓜相机”一样的东西，但对初学Proteus者比较方便，因为内部已经集成了程序编辑器和可下载不同的编译器。

    7.xx版本，DSN仿真原理、编辑器和编译器三者是独立的。而8.0版本是集成的。8.0版本在多CPU仿真时，设置不太容易；集成后软件有点大，不如7.xx版本简洁。

二. 开发三步曲

• 编辑器
  用户选择用自己的喜欢的编辑器(如Notepad++，Utraedit，Source Insight，vim，slickedit，notepad等)，用此写源程序。

• C/C++编译器
  用户按CPU型号选择自己喜欢的C/C++编译器(如Winavr，CodeSourcery，Keil，IAR，WinARM，Watcom等等)，一般的编译器都可以生成标准的.hex，和.elf格式的可执行目标文件。 Arduino IDE实际使用的是Winavr中的gcc。用此把第一步写的源程序编译成.hex和.elf文件。

• 硬件仿真图
  Proteus中的Model下有元件仿真库，用户使用这些仿真元件，设计出自己的硬件仿真原理图，也叫.dsn文件。在Proteus环境下，用自己设计的.dsn文件，在CPU中加载第二步生成的.hex或.elf文件，就可以仿真运行了。.elf文件内部包含调试信息，可以单步、设置断点调试程序。

三. Arduino UNO硬件仿真原理图

    本仿真电路图(HW目录下Arduino UNO.dsn文件)可以仿真Arduino Diecimila，或Arduino UNO板。前者采用FT232芯片做为串行通信模块，后都采用ATMEGA16U2微处理器代替了FT232，它们都是在USB上实现一个异步串行通信的功能。我们在仿真中，采用了Proteus中的串行口物理接口模型COMPIM，COMPIM完全可以代替串行通信的功能，它实现了与实际PC机物理串行接口RS232的连接，使仿真的虚拟世界与真实的世界连接。

图1-Arduino UNO硬件仿真原理图

    图中左下角增加了两个串行通信虚拟终端VT1和VT2，用于调试串行通信接收数据或发送数据使用。其它为Arduino Diecimila或UNO的仿真电路，详细标注了引脚名称，与实现电路板一样。用Proteus仿真工具可以双击Arduino UNO.dsn打开Arduino仿真电路图。

四. Arduino开发软件下载及设置

1.下载并安装Arduino集成开发环境(Arduino IDE)
    到官网上下载并安装Arduino IDE，当前最新稳定版本为1.0.6版本。
http://arduino.cc
http://arduino.cc/en/Main/Software

2.选择Arduino板类型及串行口
    如图2，仿真时，选择前两个板都可以，在与实际Arduino板连接时，选择相对应的板，并选择相对应的串行口。
***因本文使用Arduino仿真开发方法，在仿真电路图中，只要选择目标执行文件.hex或.elf文件就相当于加载程序，所以不用串行口加载程序。

图2-选择板子型号

图3-选择串行口

3.设置Arduino IDE个人偏好（重要）

• 选择File->Preferences

图4-选择preferences

• 找到设置偏好文件preferences.txt

图5-选择preferences.txt

• 用编辑器打开偏好设置文件preferences.txt

  【1】.在arduino工具的File->preferences中找到preferences.txt文件，用记事本打开。
  【2】.在preferences.txt文件的最后加一行，编辑加入 build.path=d:\MyHexDir，目录名自己定。为了观察方便，（本人设置是build.path=d:###ArduinoDbgDir ）。
  【3】先关闭Arduino IDE；
  【4】之后保存preferences.txt；
  以上顺序不要变。这样就可以在Arduino编译时，看到d:\MyHexDir目标下的目标文件，而不会自动删除。

4. 编译
（1）双击SW\Blink目录下的源文件Blink.ino，自动打开Arduino IDE。
（2）点击Sketch->Verify/Compile编译生成目标文件，目标文件在d:\MyHexDir下（本人的在d:###ArduinoDbgDir目录下 ）。
（3）点击CP.bat,会把.hex和.elf文件复制更新到当前.ino所在目录下。可以自己编辑CP.bat文件，改变目录。
（4）在Proteus中设置好一次.hex或.elf文件的位置就可以，以后更新.hex或.elf文件时，自动认为已经加载最新的。

五. 第一个Hello World程序仿真运行

    Hello World程序就是在计算机屏幕上显示“Hello，World!”的一个程序，在嵌入式系统开发中，LED的闪烁程序就是Hello World程序，Hello World程序很简约，一般它是程序员在新的开发环境中第一个要运行的程序，但是简约并不简单。

    虽然Hello World程序很简约，但是，为了这个简约的程序能够运行，需要进行开发工具链的选择、配置开发工具链，这需要大量繁琐的工作要做。Hello World程序能否运行，可以验证你的编译、开发环境、运行环境是否正确。

第一个程序Blink.ino如下：

///0. 引脚定义
#define LED_PIN   13        //定义LED引脚为13号数据引脚(DIG13)
 
///1. 初始化
void setup() {
  pinMode(LED_PIN，OUTPUT); // 初始化DIG13为输出
}
 
///2. 循环
void loop() {
      digitalWrite(LED_PIN，HIGH); //DIG13输出高电平
      delay(1000);                 //延时1秒
      digitalWrite(LED_PIN，LOW);  //DIG13输出低电平
      delay(1000);                 //延时1秒
}

（1）用Arduino IDE打开Blink.ino，编译之；
（2）在d:\MyHexDir目录下会生成.hex和.elf文件等；
（3）点击.ino所在目录下的CP.bat, 本目录多了两个文件.hex和.elf；
（4）用Proteus打开HW\Arduino UNO.dsn，双击Atmga 328P微处理器，在Program file项中选择上边SW\Blink\Blink.hex文件，或Blink.elf文件，若加载Blink.elf文件，则可以单步或设置断点调试；
（5）在Proteus中点击左下角运行仿真，如果图1中的LED小灯闪烁，则你的仿真运行环境设置正确。

参考：

【1】Arduino官网

【2】嵌入式系统工匠坊---ESCW