Multisim是基于SPICE的電路仿真軟件，SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）是“側(cè)重于集成電路的模擬程序”的簡(jiǎn)稱,，在1975年由加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校開發(fā),。在Multisim9中，需要另安裝MultiMCU進(jìn)行單片機(jī)仿真,。NI(National Instruments) Multisim10 將MuitiMCU稱為MCU Module,，不需要單獨(dú)安裝，可以與Multisim中的SPICE模型電路協(xié)同仿真,，支持Intel/Atmel的8051/8052 和 Microchip的 PIC16F84a,，典型的外設(shè)有RAM和ROM，鍵盤,，圖形和文字LCD,，并有完整的調(diào)試功能，包括設(shè)置斷點(diǎn),，查看寄存器,，改寫內(nèi)存等。支持C語言,，可以編寫頭文件和使用庫，還可以將加載的外部二進(jìn)制文件反匯編,。
這里我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有復(fù)位功能的計(jì)數(shù)器的例子來說明在NI Multisim10中如何進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)以及如何與SPICE模型電路協(xié)同仿真,。
MCU（Microcontroller Unit）即單片機(jī)是大家都比較熟悉并常用的電子器件，由于其廣泛的應(yīng)用,，所以用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路是電子技術(shù)人員必備的技能,。對(duì)于初學(xué)者，可以先從軟件仿真入手,。我們知道利用Proteus軟件可以進(jìn)行單片機(jī)的軟件仿真,，Multisim同樣也可以。
如果你對(duì)Multisim比較熟悉,，那一定對(duì)里面的安捷倫（Agilent）54622D混合信號(hào)示波器等儀器印象很深刻吧,，因?yàn)樗c真實(shí)的儀器面板和操作幾乎完全一樣。Multisim里象這種模仿實(shí)際儀器的還有安捷倫的33120A任意波形函數(shù)發(fā)生器和34401A萬用表,，泰克（Tektronix）的TDS2024四通道示波器,。充分利用這些儀器，就好比擁有了一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室,，你可以用33120A任意波形函數(shù)發(fā)生器給單片機(jī)提供輸入信號(hào),，用54622D或TDS2024示波器觀看模擬信號(hào)，或用54622D的邏輯分析儀功能查看單片機(jī)多個(gè)管腳數(shù)字信號(hào)的輸出,。在下面的例子里我們將用54622D來觀察復(fù)位信號(hào),。
搭建電路設(shè)置MCU
建好的電路圖如圖1所示,，各器件的名稱等信息如附表所示。需要說明的是電路圖中的單片機(jī)不用連接晶振也可以進(jìn)行仿真,，時(shí)鐘頻率（速度）的設(shè)置見下文,。
圖1 帶復(fù)位功能的簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器的電路圖
附表
搭建電路時(shí)，當(dāng)將單片機(jī)U1放入電路圖中時(shí),，會(huì)出現(xiàn)MCU向?qū)?，如圖2所示。第一步,，分別輸入工作區(qū)路徑和工作區(qū)名稱,。工作區(qū)名稱任意，這里輸入MCUCosimWS,。第二步,，如圖3所示，在項(xiàng)目類型（Project type）下拉框有兩個(gè)選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)(Standard)和加載外部Hex文件(Load External Hex File),，你可以在Keil等環(huán)境下編寫匯編和C源程序,，然后生成Hex文件，再通過“加載外部Hex文件”導(dǎo)入,。限于篇幅這里選標(biāo)準(zhǔn)（Standard）,，接著在“編程語言”（Programming language）下拉框里會(huì)有兩個(gè)選項(xiàng)：C和匯編（Assembly），如果選擇C,，則在匯編器/編譯器工具(Assembler/Compiler tool)下拉框會(huì)出現(xiàn)Hi-Tech C51-Lite compiler,，我們這里選擇匯編（Assembly），則出現(xiàn)8051/8052 Metalink assembler,。接下來在項(xiàng)目名稱（Project name）里輸入名稱,，如CosimProject。第三步,，如圖4所示,，對(duì)話框里有兩個(gè)選項(xiàng)：創(chuàng)建空項(xiàng)目（Create empty project）和添加源文件(Add source file)。選擇添加源文件,，點(diǎn)擊完成,。保存文件，鍵入M10Cosim作為文件名,，然后查看“設(shè)計(jì)工具箱”(Design Toolbox),，應(yīng)如圖5所示。
你可能更愿意用C來編寫程序,，而不是匯編,，或兩個(gè)都用，或還想引入外部Hex文件,，這都可以通過用“MCU代碼管理器”添加MCU項(xiàng)目來解決,。在設(shè)計(jì)工具箱里右鍵單擊MCUCosimWS,，選擇“MCU代碼管理器”（MCU Code Manager），點(diǎn)擊“新MCU項(xiàng)目”（New MCU Project）按鈕,，選擇“項(xiàng)目類型”（Project Type）,，可以是標(biāo)準(zhǔn)（Standard）或加載外部Hex文件(Load External Hex File)，這里選“標(biāo)準(zhǔn)”,，接著輸入名稱,，如Cosim_C_Project，確定后就可以在MCU代碼管理器對(duì)話框里進(jìn)行下一步設(shè)置了,，可以創(chuàng)建新文件,，設(shè)置匯編器/編譯器等等。如圖6所示,，這時(shí)已經(jīng)多了一個(gè)Cosim_C_Project項(xiàng)目（未添加C代碼源文件）,，前面圖標(biāo)空心的方框說明它不是“當(dāng)前使用的項(xiàng)目”（Active MCU Project）。
圖6用MCU代碼管理器添加的新項(xiàng)目
編寫并編譯MCU源程序
雙擊CosimProject下的main.asm輸入程序,，程序清單及注釋如下：
由于匯編器是Metalink assembler,，詳細(xì)的宏命令等可以參考其用戶手冊(cè)。編寫好程序后,，選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Build,，這里的下拉子菜單可能是“MCU 8051 U2”或“U3”，主要對(duì)應(yīng)電路圖中單片機(jī)的符號(hào)名稱,，Build的結(jié)果會(huì)輸出到Spreadsheet View中,。
運(yùn)行程序并用示波器觀察復(fù)位過程
匯編程序編譯通過后，就可以回到電路圖窗口,，點(diǎn)擊工具欄的運(yùn)行按鈕，這時(shí)在七段數(shù)碼管上就應(yīng)該循環(huán)顯示0到9,，如果顯示過快或過慢,，可以調(diào)整源程序中的COUNT_NUM，改變延時(shí)時(shí)間,，或雙擊U1,，在805x對(duì)話框的Value標(biāo)簽里設(shè)置“時(shí)鐘速度”（Clock Speed）。
電路中為SPICE模型的C1和R1的作用是延長復(fù)位引腳保持高電平的時(shí)間,，避免因復(fù)位電壓持續(xù)時(shí)間過短而引起復(fù)位失敗,。雙擊示波器XSC1，按示波器面板上的POWER鍵,，打開示波器,，點(diǎn)擊工具欄的運(yùn)行按鈕，這時(shí)調(diào)整示波器的電壓和時(shí)間刻度,，得到圖7所示的復(fù)位引腳電壓的變化,，每個(gè)刻度是100μs,，高電平持續(xù)了大概一個(gè)刻度，可見在加電時(shí),，單片機(jī)沒有立刻運(yùn)行,，有一段延遲，延遲的時(shí)間應(yīng)該足以使其內(nèi)部電壓和振蕩都處于穩(wěn)態(tài),。按下復(fù)位鍵S1時(shí)的波形如圖8所示,，這時(shí)每個(gè)刻度是50μs，波形平頂?shù)牟糠质前存I按下的時(shí)間,，大概20μs,，之后電壓逐漸降低，當(dāng)降到約3V時(shí),，7段數(shù)碼管開始計(jì)數(shù),，說明單片機(jī)開始工作，由圖8可知復(fù)位時(shí)間被延長到大概100μs,。
其原理是加電瞬間或按鍵按下到松開之間,，電容無電荷，兩端電壓為0V,，單片機(jī)的RST引腳的電壓瞬間被提升到VCC(5V),。加電之后或按鍵松開，電容開始充電,，兩端電壓逐漸增加,，電阻的電壓（RST引腳電壓）由5V逐漸降低，因而延長了復(fù)位引腳保持高電平的時(shí)間,。實(shí)際器件對(duì)復(fù)位持續(xù)時(shí)間的要求一般在兩個(gè)機(jī)器周期,，所以100微秒的復(fù)位時(shí)間要求51單片機(jī)的晶振頻率不低于0.24MHz。當(dāng)然一般情況下是根據(jù)晶振頻率確定C1和R1的值,，這可以根據(jù)求解一階微分方程得到其充放電時(shí)間,，或參考單片機(jī)的用戶手冊(cè)。
調(diào)試程序
選擇菜單MCU→MCU 8051 U1→Debug View,，可以看到文本區(qū)上面有下拉菜單并有兩種選擇,，對(duì)應(yīng)反匯編（disassembly）和列表匯編（listing assembly），簡(jiǎn)單的說,，前者是由ROM的內(nèi)容得到,，后者是源文件編譯后的結(jié)果。雙擊“設(shè)計(jì)工具箱”的main.asm,，在源文件編輯窗口右鍵單擊語句為“MOVC A,@A+DPTR”的一行,，選擇“設(shè)置/清除斷點(diǎn)”（Toggle Breakpoint）,在左側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)實(shí)心圓，點(diǎn)擊“運(yùn)行”,，程序?qū)⑼Ｔ谠撔?，只不過是在“調(diào)試視圖”（Debug View）的列表匯編窗口下,，同時(shí)在實(shí)心圓上多出了一個(gè)黃色箭頭。點(diǎn)擊MCU-> MCU 8051 U1->Memory View,，打開MCU存儲(chǔ)器視圖,，在該視圖可以查看特殊函數(shù)寄存器（SFR），內(nèi)部RAM(IRAM),，內(nèi)部ROM（IROM）,，外部RAM（XRAM）。在SFR表格內(nèi)觀察ACC的值,，此時(shí)應(yīng)該為“00”,，在IRAM里觀察地址為21H的值，因?yàn)?ldquo;MOV SP,#20H”語句將21H作為堆棧的第一個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)的地址,，斷點(diǎn)的前一處語句“PUSH ACC”使該字節(jié)存儲(chǔ)ACC的值,，此時(shí)也為“00”。再點(diǎn)“運(yùn)行”,，程序第二次停在斷點(diǎn)處,，觀察SFR中的ACC和IRAM中的21H，如圖9所示應(yīng),，兩個(gè)單元格里的值都應(yīng)為“01”,，你還可以雙擊該單元格進(jìn)行修改，該值也正是七段數(shù)碼管即將顯示的下一個(gè)數(shù),。點(diǎn)擊MCU菜單,，可以看到除了設(shè)置斷點(diǎn)以外還可單步進(jìn)入（Step into），遇到函數(shù)時(shí)進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部,；跳過（Step over）,，即不進(jìn)入函數(shù)；跳出（Step out）,，即跳出函數(shù)到調(diào)用函數(shù)的下一條語句,。
圖9 MCU存儲(chǔ)器視圖
結(jié)束語
本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的電路介紹了在NI Multisim下如何進(jìn)行SPICE模型（這里主要指C1和R1）和8051 MCU的協(xié)同仿真,。NI Multisim10不但有多種編譯和調(diào)試功能，還提供了RAM,，ROM,，鍵盤，液晶屏等外設(shè),，是初學(xué)單片機(jī)的理想工具,。掌握了基本的硬件結(jié)構(gòu)，匯編指令和調(diào)試方法后,，讀者可以利用Multisim開發(fā)更復(fù)雜的系統(tǒng)并仿真,，為下一步設(shè)計(jì)實(shí)際的硬件電路做準(zhǔn)備,。
說明：因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電流是有限制的，不能太大,，否則會(huì)燒毀單片機(jī)的,。所以應(yīng)在數(shù)碼管的CA端和VCC端之間接一個(gè)限流電阻（100歐姆）；或者在單片機(jī)與數(shù)碼管之間接入一個(gè)排阻（7個(gè)）也可以,，這樣仿真時(shí)就不會(huì)燒毀單片機(jī)了,。