Проектування електронних пристроїв в Proteus 8.1. Частина 1

В наш час на ринку з'явилося велике число програм-симуляторів, які замінюють реальні радіодеталі та прилади віртуальними моделями. Симулятори дозволяють, без зборки реального пристрою, налагодити роботу схеми, знайти помилки, отримані на стадії проектування, зняти необхідні характеристики та багато іншого. Одна з таких програм - Proteus. Але симуляція радіоелементів - це не єдина здатність програми. Окрім цього, Proteus є так званим середовищем безперервного проектування, що дозволяє створювати пристрій, починаючи з проектування його принципової схеми і закінчуючи виготовленням друкованої плати, з можливістю контролю на кожному етапі виробництва. Proteus - це система автоматизованого проектування електронних пристроїв, яка об'єднує в собі дві основні програми: ISIS - засіб розробки та налагодження в режимі реального часу електронних схем (рис. 1) та ARES - засіб розробки друкованих плат (рис. 2). У редакторі ARES є можливість переглядати розроблену плату в 3D зображенні (рис. 3). 

Рис. 1. Схема електрична принципова, розроблена в редакторі ISIS програми Proteus.

Рис. 2. Вікно редактора ARES програми Proteus.

Рис. 3. 3D зображення друкованої плати.

В Proteus можна розробляти як прості аналогові пристрої, так і складні системи на мікроконтролерах. При цьому в програмі доступна велика бібліотека моделей елементів, поповнювати яку при наявності певних навичок може сам користувач. Відмінність від аналогічних за призначенням пакетів програм, наприклад Multisim, полягає в розвинутій системі симуляції (інтерактивного налагодження в режимі реального часу та покрокової) для різних сімейств мікроконтролерів (рис. 4): 8051, ARM7, AVR, Cortex-M3, MSP430, PIC10/12/16/18/24, PICCOLO, dsPIC33. Пакет Microprocessor ICs дозволяє включати в еймуляцію змішані схеми певні мікроконтролери з можливістю написання та налагодження програмного коду (рис. 5). Proteus має розширені бібліотеки компонентів (рис. 6), в тому числі й периферійних пристроїв: світлодіодні та ЖК індикатори, температурні датчики, годинники реального часу - RTC; інтерактивних елементів вводу-виводу: кнопок, перемикачів, віртуальних портів та віртуальних вимірювальних приладів, інтерактивних графіків, які не завжди присутні в інших подібних програмах.

Рис. 4. Бібліотека мікроконтролерів ARM7 програми Proteus.

Рис. 5. Програма ініціалізації мікроконтролера в редакторі написання коду.

Рис. 6. Бібліотеки компонентів Proteus.

Широкий набір віртуальних приладів (вольтметр, амперметр, чотириканальний осцилограф, логічний аналізатор, сигнал генератор, цифровий генератор шаблону, ваттметр, пробники, цифровий частотомір, віртуальний термінал, об'єкт "графік") дозволяє здійснювати вимірювання різних величин, задавати вхідні впливи, будувати графіки. Віртуальні вимірювальні прилади Proteus (рис. 7) – це програмні моделі контрольно-вимірювальних приладів, які відповідають реальним приладам. Використання таких інструментів в Proteus – це простий і зрозумілий метод взаємодії зі схемою, майже не відрізняється від традиційного при тестуванні або створенні радіоелектронного пристрою, найпростіший спосіб перевірити поведінку розробленої схеми. Також є віртуальні інструменти, за допомогою яких можна візуально відобразити отриману інформацію або навпаки згенерувати дані для подачі їх в схему (рис. 8).

Рис. 7. Генерація синусоїдальних сигналів за допомогою сигнал генератора та їх відображення на дисплеї осцилографа.

Рис. 8. Використання цифрового генератора шаблона для виводу надпису на екран віртуального термінала.

При створенні складних електричних схем розробник може допустити помилки при розміщенні та з'єднанні об'єктів схеми. Тому перед тим, як здійснити трансляцію розробленої схеми в редактор ARES, рекомендується виконати верифікацію схеми – перевірку на наявність помилок ERC (правильності електричних з'єднань). Після того як робота над проектом схеми електричної принципової в робочій області ISIS завершена, схему можна експортувати в ARES – редактор розробки друкованих плат. ARES є PCB додатком програми Proteus і використовується як для розробки друкованих плат, так і для виконання певних функцій CAD систем та підготовки результатів проектування до виробництва. Ця програма має можливість автоматизованого розміщення компонентів на платі (рис. 9) та автоматичної трасування (рис. 10). 

Рис. 9. Автоматичне розміщення компонентів на платі в робочій області редактора ARES.

Рис. 10. Результати автоматичної трасування проводників плати в редакторі ARES.

Розмістити компоненти в області контуру плати можна і вручну. Після того, як усі компоненти переміщені в робоче поле редактора, розробнику необхідно вручну розташувати їх в області контуру друкованої плати з урахуванням їх розмірів та форми. При цьому необхідно прагнути до того, щоб компоненти розташовувалися компактно. Однак, перед тим як розмістити компоненти, в робочому полі редактора ARES необхідно створити контур друкованої плати (рис. 11).

Рис. 11. Розроблений в робочій області ARES контур друкованої плати. 

Трасування проводників плати може бути проведене вручну або автоматично. Автоматичне трасування проводників передбачає використання спеціальних засобів, які самостійно виконують прокладення друкованих проводників (участків токопровідного покриття, нанесеного на ізоляційну основу, еквівалентних звичайному монтажному проводу) на основі правил проектування, заданих розробником. Перед тим як виконати автотрасування, необхідно налаштувати правила проекту. Для ручного трасування в ARES можна скористатися інструментом Track Mode. Попередньо необхідно візуально визначити лінію зв'язку на платі та контакти, які вона з'єднує. Прокладення маршруту трасси здійснюється шляхом переміщення курсора та кліків лівою кнопкою миші в місцях вигинів проводника. При цьому розробником обирається найбільш оптимальний маршрут. Інформація про отримані в результаті прокладки трасси помилки відображається на нижній панелі редактора ARES. При цьому система може вказувати на допущені розробником помилки за допомогою кольорових маркерів, які з'являються в місцях виникнення помилок, а також кольорової підсвітки неправильно прокладеної трасси (рис. 12).

 

Рис. 12. Кольорові маркери в місцях виникнення помилок, допущених в процесі ручного трасування.

В редакторі ARES є можливість переглядати розроблену плату в 3D зображенні. Для перегляду плати в трьох вимірах необхідно на верхній панелі редактора натиснути кнопку 3D Vizualizer, в результаті чого в проекті відкриється нова однойменна вкладка (рис. 13). В нижній частині вкладки 3D Vizualizer знаходиться кнопка Show the components, за допомогою якої можна керувати відображенням компонентів на 3D зображенні плати (рис. 14).

Рис. 13. 3D зображення друкованої плати на вкладці 3D Vizualizer.

Рис. 14. Керування відображенням компонентів на 3D зображенні плати за допомогою кнопки Show the components.

Використання програмного середовища Proteus при розробці електронних пристроїв дозволяє значно скоротити терміни їх налагодження, адже очевидно, що процес моделювання в програмному середовищі, при якому є можливість проводити віртуальні випробування розробленої схеми, набагато простіший і менш витратний, ніж проведення таких же випробувань на реальному макеті. Також використання даної програми моделювання дозволяє суттєво прискорити розробку складних схем.