NI Multisim下如何进行SPICE模型和8051 MCU的协同仿真

Multisim是基于SPICE的电路仿真软件，SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）是“侧重于集成电路的模拟程序”的简称，在1975年由加利福尼亚大学伯克莱分校开发。在Multisim9中，需要另安装MultiMCU进行单片机仿真。NI(National Instruments) Multisim10 将MuitiMCU称为MCU Module，不需要单独安装，可以与Multisim中的SPICE模型电路协同仿真，支持Intel/Atmel的8051/8052 和 Microchip的 PIC16F84a，典型的外设有RAM和ROM，键盘，图形和文字LCD，并有完整的调试功能，包括设置断点，查看寄存器，改写内存等。支持C语言，可以编写头文件和使用库，还可以将加载的外部二进制文件反汇编。Multisim10下载
　这里我们通过一个简单的带有复位功能的计数器的例子来说明在NI Multisim10中如何进行单片机开发以及如何与SPICE模型电路协同仿真。

MCU（Microcontroller Unit）即单片机是大家都比较熟悉并常用的电子器件，由于其广泛的应用，所以用单片机设计电路是电子技术人员必备的技能。对于初学者，可以先从软件仿真入手。我们知道利用Proteus软件可以进行单片机的软件仿真，Multisim同样也可以。

　如果你对Multisim比较熟悉，那一定对里面的安捷伦（Agilent）54622D混合信号示波器等仪器印象很深刻吧，因为它与真实的仪器面板和操作几乎完全一样。Multisim里象这种模仿实际仪器的还有安捷伦的33120A任意波形函数发生器和34401A万用表，泰克（Tektronix）的TDS2024四通道示波器。充分利用这些仪器，就好比拥有了一个真实的实验室，你可以用33120A任意波形函数发生器给单片机提供输入信号，用54622D或TDS2024示波器观看模拟信号，或用54622D的逻辑分析仪功能查看单片机多个管脚数字信号的输出。在下面的例子里我们将用54622D来观察复位信号。

搭建电路设置MCU
　建好的电路图如图1所示，各器件的名称等信息如附表所示。需要说明的是电路图中的单片机不用连接晶振也可以进行仿真，时钟频率（速度）的设置见下文。
 
图1 带复位功能的简单计数器的电路图
 
附表　　
      搭建电路时，当将单片机U1放入电路图中时，会出现MCU向导，如图2所示。第一步，分别输入工作区路径和工作区名称。工作区名称任意，这里输入MCUCosimWS。第二步，如图3所示，在项目类型（Project type）下拉框有两个选项：标准(Standard)和加载外部Hex文件(Load External Hex File)，你可以在Keil等环境下编写汇编和C源程序，然后生成Hex文件，再通过“加载外部Hex文件”导入。限于篇幅这里选标准（Standard），接着在“编程语言”（Programming language）下拉框里会有两个选项：C和汇编（Assembly），如果选择C，则在汇编器/编译器工具(Assembler/Compiler tool)下拉框会出现Hi-Tech C51-Lite compiler，我们这里选择汇编（Assembly），则出现8051/8052 Metalink assembler。接下来在项目名称（Project name）里输入名称，如CosimProject。第三步，如图4所示，对话框里有两个选项：创建空项目（Create empty project）和添加源文件(Add source file)。选择添加源文件，点击完成。保存文件，键入M10Cosim作为文件名，然后查看“设计工具箱”(Design Toolbox)，应如图5所示。

 
 
 
　你可能更愿意用C来编写程序，而不是汇编，或两个都用，或还想引入外部Hex文件，这都可以通过用“MCU代码管理器”添加MCU项目来解决。在设计工具箱里右键单击MCUCosimWS，选择“MCU代码管理器”（MCU Code Manager），点击“新MCU项目”（New MCU Project）按钮，选择“项目类型”（Project Type），可以是标准（Standard）或加载外部Hex文件(Load External Hex File)，这里选“标准”，接着输入名称，如Cosim_C_Project，确定后就可以在MCU代码管理器对话框里进行下一步设置了，可以创建新文件，设置汇编器/编译器等等。如图6所示，这时已经多了一个Cosim_C_Project项目（未添加C代码源文件），前面图标空心的方框说明它不是“当前使用的项目”（Active MCU Project）。
 
图6用MCU代码管理器添加的新项目　　

编写并编译MCU源程序　　
      双击CosimProject下的main.asm输入程序，程序清单及注释如下：
 
      由于汇编器是Metalink assembler，详细的宏命令等可以参考其用户手册。编写好程序后，选择菜单MCU→MCU 8051 U1→Build，这里的下拉子菜单可能是“MCU 8051 U2”或“U3”，主要对应电路图中单片机的符号名称，Build的结果会输出到Spreadsheet View中。

运行程序并用示波器观察复位过程
　汇编程序编译通过后，就可以回到电路图窗口，点击工具栏的运行按钮，这时在七段数码管上就应该循环显示0到9，如果显示过快或过慢，可以调整源程序中的COUNT_NUM，改变延时时间，或双击U1，在805x对话框的Value标签里设置“时钟速度”（Clock Speed）。
电路中为SPICE模型的C1和R1的作用是延长复位引脚保持高电平的时间，避免因复位电压持续时间过短而引起复位失败。双击示波器XSC1，按示波器面板上的POWER键，打开示波器，点击工具栏的运行按钮，这时调整示波器的电压和时间刻度，得到图7所示的复位引脚电压的变化，每个刻度是100μs，高电平持续了大概一个刻度，可见在加电时，单片机没有立刻运行，有一段延迟，延迟的时间应该足以使其内部电压和振荡都处于稳态。按下复位键S1时的波形如图8所示，这时每个刻度是50μs，波形平顶的部分是按键按下的时间，大概20μs，之后电压逐渐降低，当降到约3V时，7段数码管开始计数，说明单片机开始工作，由图8可知复位时间被延长到大概100μs。
 
      其原理是加电瞬间或按键按下到松开之间，电容无电荷，两端电压为0V，单片机的RST引脚的电压瞬间被提升到VCC(5V)。加电之后或按键松开，电容开始充电，两端电压逐渐增加，电阻的电压（RST引脚电压）由5V逐渐降低，因而延长了复位引脚保持高电平的时间。实际器件对复位持续时间的要求一般在两个机器周期，所以100微秒的复位时间要求51单片机的晶振频率不低于0.24MHz。当然一般情况下是根据晶振频率确定C1和R1的值，这可以根据求解一阶微分方程得到其充放电时间，或参考单片机的用户手册。

调试程序
      选择菜单MCU→MCU 8051 U1→Debug View，可以看到文本区上面有下拉菜单并有两种选择，对应反汇编（disassembly）和列表汇编（listing assembly），简单的说，前者是由ROM的内容得到，后者是源文件编译后的结果。双击“设计工具箱”的main.asm，在源文件编辑窗口右键单击语句为“MOVC A,@A+DPTR”的一行，选择“设置/清除断点”（Toggle Breakpoint）,在左侧会出现一个实心圆，点击“运行”，程序将停在该行，只不过是在“调试视图”（Debug View）的列表汇编窗口下，同时在实心圆上多出了一个黄色箭头。点击MCU-> MCU 8051 U1->Memory View，打开MCU存储器视图，在该视图可以查看特殊函数寄存器（SFR），内部RAM(IRAM)，内部ROM（IROM），外部RAM（XRAM）。在SFR表格内观察ACC的值，此时应该为“00”，在IRAM里观察地址为21H的值，因为“MOV SP,#20H”语句将21H作为堆栈的第一个存储字节的地址，断点的前一处语句“PUSH ACC”使该字节存储ACC的值，此时也为“00”。再点“运行”，程序第二次停在断点处，观察SFR中的ACC和IRAM中的21H，如图9所示应，两个单元格里的值都应为“01”，你还可以双击该单元格进行修改，该值也正是七段数码管即将显示的下一个数。点击MCU菜单，可以看到除了设置断点以外还可单步进入（Step into），遇到函数时进入函数内部；跳过（Step over），即不进入函数；跳出（Step out），即跳出函数到调用函数的下一条语句。　　　　
 
图9 MCU存储器视图

结束语
　本文以一个简单的电路介绍了在NI Multisim下如何进行SPICE模型（这里主要指C1和R1）和8051 MCU的协同仿真。NI Multisim10不但有多种编译和调试功能，还提供了RAM，ROM，键盘，液晶屏等外设，是初学单片机的理想工具。掌握了基本的硬件结构，汇编指令和调试方法后，读者可以利用Multisim开发更复杂的系统并仿真，为下一步设计实际的硬件电路做准备。
    说明：因为单片机的电流是有限制的，不能太大，否则会烧毁单片机的。所以应在数码管的CA端和VCC端之间接一个限流电阻（100欧姆）；或者在单片机与数码管之间接入一个排阻（7个）也可以，这样仿真时就不会烧毁单片机了。