В наше время на рынке появилось большое количество программ симуляторов, заменяющих реальные радиодетали и приборы виртуальными моделями. Симуляторы позволяют, без сборки реального устройства, отладить работу схемы, найти ошибки, полученные на стадии проектирования, снять необходимые характеристики и многое другое. Одна из таких программ — Proteus. Но симуляция радиоэлементов это не единственная способность программы. Помимо этого Proteus является так называемой средой сквозного проектирования, что позволяет создавать устройство, начиная с проектирования его принципиальной схемы и заканчивая изготовлением печатной платы, с возможностью контроля на каждом этапе производства. Proteus — это система автоматизированного проектирования электронных устройств, объединяющая в себе две основных программы: ISIS — средство разработки и отладки в режиме реального времени электронных схем (рис. 1) и ARES — средство разработки печатных плат (рис. 2). В редакторе ARES есть возможность просматривать разработанную плату в 3D изображении (рис. 3).
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная, разработанная в редакторе ISIS программы Proteus.
Рис. 2. Окно редактора ARES программы Proteus.
Рис. 3. 3D изображение печатной платы.
В Proteus можно разрабатывать как простейшие аналоговые устройства, так и сложные системы на микроконтроллерах. При этом в программе доступна огромная библиотека моделей элементов, пополнять которую при наличии определенных навыков может сам пользователь. Отличие от аналогичных по назначению пакетов программ, например Multisim, заключается в развитой системе симуляции (интерактивной отладки в режиме реального времени и пошаговой) для различных семейств микроконтроллеров (рис. 4): 8051, ARM7, AVR, Cortex-M3, MSP430, PIC10/12/16/18/24, PICCOLO, dsPIC33. Пакет Microprocessor ICs позволяет включать в эмуляцию смешанной схемы определенные микроконтроллеры с возможностью написания и отладки программного кода (рис. 5). Proteus имеет обширные библиотеки компонентов (рис. 6), в том числе и периферийных устройств: светодиодные и ЖК индикаторы, температурные датчики, часы реального времени — RTC; интерактивных элементов ввода-вывода: кнопок, переключателей, виртуальных портов и виртуальных измерительных приборов, интерактивных графиков, которые не всегда присутствуют в других подобных программах.
Рис. 4. Библиотека микроконтроллеров ARM7 программы Proteus.
Рис. 5. Программа инициализации микроконтроллера в редакторе написания кода.
Рис. 6. Библиотеки компонентов Proteus.
Широкий набор виртуальных приборов (вольтметр, амперметр, 4-хканальный осциллограф, логический анализатор, сигнал генератор, цифровой генератор шаблона, ваттметр, пробники, цифровой частотомер, виртуальный терминал, объект «график») позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Виртуальные измерительные приборы Proteus (рис. 7) – это программные модели контрольно-измерительных приборов, которые соответствуют реальным приборам. Использование таких инструментов в Proteus – это простой и понятный метод взаимодействия со схемой, почти не отличающийся от традиционного при тестировании или создании радиоэлектронного устройства, самый простой способ проверить поведение разработанной схемы. Также есть виртуальные инструменты, при помощи которых можно визуально отобразить полученную информацию или наоборот сгенерировать данные для подачи их в схему (рис. 8).
Рис. 7. Генерация синусоидальных сигналов при помощи сигнал генератора и их отображение на дисплее осциллографа.
Рис. 8. Использование цифрового генератора шаблона для вывода надписи на экран виртуального терминала.
При создании сложных электрических схем разработчик может допустить ошибки при размещении и соединении объектов схемы. Потому перед тем как произвести трансляцию разработанной схемы в редактор ARES рекомендуется выполнить верификацию схемы – проверку на наличие ошибок ERC (правильности электрических соединений). После того как работа над проектом схемы электрической принципиальной в рабочей области ISIS завершена, схему можно экспортировать в ARES – редактор разработки печатных плат. ARES является PCB приложением программы Proteus и используется как для разработки печатных плат, так и для выполнения определенных функций CAD систем и подготовки результатов проектирования к производству. Данная программа обладает возможностью автоматизированного размещения компонентов на плате (рис. 9) и автоматической трассировки (рис. 10).
Рис. 9. Автоматическое размещение компонентов на плате в рабочей области редактора ARES.
Рис. 10. Результаты автоматической трассировки проводников платы в редакторе ARES.
Разместить компоненты в области контура платы можно и вручную. После того как все компоненты перемещены в рабочее поле редактора, разработчику необходимо вручную расположить их в области контура печатной платы с учетом их размеров и формы. При этом необходимо стремиться к тому, что бы компоненты располагались компактно. Но, перед тем как разместить компоненты, в рабочем поле редактора ARES необходимо создать контур печатной платы (рис. 11).
Рис. 11. Разработанный в рабочей области ARES контур печатной платы.
Трассировка проводников платы может быть проведена вручную или автоматически. Автоматическая трассировка проводников предусматривает использование специальных средств, которые самостоятельно выполняют прокладывание печатных проводников (участков токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционную основу, эквивалентных обычному монтажному проводу) на основе правил проектирования, заданных разработчиком. Перед тем как выполнить автотрассировку, необходимо настроить правила проекта. Для ручной трассировки в ARES можно воспользоваться инструментом Track Mode. Предварительно необходимо визуально определить линию связи на плате и контакты, которые она соединяет. Прокладывание маршрута трассы производится посредством передвижения курсора и щелчков левой кнопкой мыши в местах изгибов проводника. При этом разработчиком выбирается наиболее оптимальный маршрут. Информация о полученных в результате прокладки трассы ошибках отображается на нижней панели редактора ARES. При этом система может указывать на допущенные разработчиком ошибки при помощи цветных маркеров, которые появляются в местах возникновения ошибок, а также цветной подсветки неправильно проложенной трассы (рис. 12).
Рис. 12. Цветные маркеры в местах возникновения ошибок, допущенных в процессе ручной трассировки.
В редакторе ARES есть возможность просматривать разработанную плату в 3D изображении. Для просмотра платы в 3-х измерениях необходимо на верхней панели редактора нажать кнопку 3D Vizualizer, в результате чего в проекте будет открыта новая одноименная вкладка (рис. 13). В нижней части вкладки 3D Vizualizer находится кнопка Show the components, при помощи которой можно управлять отображением компонентов на 3D изображении платы (рис. 14).
Рис. 13. 3D изображение печатной платы на вкладке 3D Vizualizer.
Рис. 14. Управление отображением компонентов на 3D изображении платы при помощи кнопки Show the components.
Использование программной среды Proteus при разработке электронных устройств позволяет значительно сократить сроки их отладки, ведь очевидно, что процесс моделирования в программной среде при котором есть возможность проводить виртуальные испытания разработанной схемы намного проще и менее затратнее чем проведение таких же испытаний на реальном макете. Так же использование данной программы моделирования позволяет существенно ускорить разработку сложных схем.