基于proteus 的數字信號處理器虛擬實驗系統的設計＊

江鳳兵

（贛南師范大學科技學院，江西 贛州 341000）

數字信號處理器的英文簡稱為DSP，它是一種針對數字信號能夠實現快速并實時處理的特定處理器，在應用期間擁有體積小、功耗量較低且計算處理速度異常迅速的特點，被稱為實現數字信號處理的重要工具[1]。現階段，數字信號處理器被廣泛應用于通信、軍事、自動執行、圖形構造、醫療和電器等多種領域，由于價格相對低廉，具有較高的性價比，因此應用潛力巨大[2]。proteus 則是由英國的Labcenter Electronics公司開發出來的EDA 軟件工具，能夠在原理圖分析、代碼調試、外圍電路協同仿真、核心芯片等方面發揮出重要作用，促進概念到產品的設計和開發[3]。應用該工具，能夠將電路仿真、PCB 設計以及虛擬模擬仿真進行有效融合，便于工作者從專業角度去分析程序的運行過程與結果。proteus 在模擬電子系統、數字電子技術、單片機系統等方面的應用尤為廣泛。

1 數字信號處理器虛擬實驗系統設計背景

數字信號處理器（DSP）應用潛力較大，現階段，計算機行業對DSP 技術型人才的需求極為迫切，有關DSP 技術已經成為不少高校開設的主要課程。從理論上來講，DSP 課程屬于實踐性較強的課程種類，在具體實驗階段，能夠有效提升實踐者的科技創新能力。調查研究發現，在使用傳統的DSP 實物實驗系統時，必須要保證相關的硬件設備支持，例如實驗箱、仿真器、PC 端等，這些硬件設備的使用無疑會提升實驗過程的成本，再加上日常維護所需費用、實驗場所等因素的限制，為實際應用開展帶來了諸多困難[4]。而應用proteus 能夠有效改善這一狀況，由于proteus 支持MSP430、HC11、ARM、AVR 等多種處理器，且功能強大，因此在使用期間優勢明顯。本次研究基于proteus，結合LabVⅠEW、CCS 構建起對應的數字信號處理器虛擬實驗系統，并介紹對應的系統設計與開發過程。幫助操作者即使在沒有相關DSP 硬件設備的條件下，也能夠自行完成硬件電路模型的創建，實現對DSP 的編程開發。且在有效利用該數字信號處理器虛擬實驗系統期間，系統構建成本較低，也不需要專門去維護，具備較強的擴展性。

2 數字信號處理器模擬實驗系統設計方案

2.1 開發軟件

虛擬實驗系統開發軟件包含proteus、LabVⅠEW、CCS 軟件。在具體執行應用期間，proteus 主要參與數字信號處理器最小系統、外圍電路等相關硬件仿真模型過程中，LabVⅠEW 則是實現對應虛擬設備以及實驗獲取結果的輸出顯示，CCS 主要應用于數字信號處理器軟件的開發與調試過程[5]。除去上述軟件外，還需要借助Controlsuit 配置軟件，保證能夠在proteus 與CCS之間建立起相對穩定的連接，借助ⅠⅠS 能夠滿足幫助用戶搭建器局域網服務器，使用Dreamweaver 用于相關網頁的制作。

2.2 總體結構

數字信號處理器虛擬實驗系統涵蓋基礎驗證型實驗與綜合設計型實驗2 個方面，在執行操作期間，各個模塊的實驗系統相對獨立，且能夠順利完成相關內容。在操作基礎實驗期間，可以幫助操作者了解相關的虛擬實驗系統的開發總體環境、硬件設備的電路模型構造、C 語言程序開發過程等，有利于提前熟悉數字信號處理器的相關模塊功能、工作原理等，為后期開展綜合實驗奠定基礎[6]。在執行綜合實驗過程中，要求操作者結合已掌握的專業知識完成相對復雜、系統性的實驗項目。綜合設計實驗過程能夠有效培養操作者對數字信號處理器虛擬實驗系統軟件和硬件的設計能力。創新實驗則相對自由，由操作者自主完成選題，對相關內容實施設計與仿真，例如數據通信、自動化儀表、數字信號處理以及機電測控等過程。數字信號處理器虛擬實驗系統內容如表1 所示。

表1 數字信號處理器虛擬實驗系統內容

3 數字信號處理器虛擬實驗系統開發設計

3.1 開發步驟

此次研究中虛擬實驗系統的開發要利用proteus8.9 與CCS 等工具，其中使用proteus 期間要保證能夠支持TMS 類芯片，這種芯片屬于數字信號處理器控制器中較為重要的代表[7]。同時，從有效降低成本角度出發，對其封裝、結構等實施精簡化處理，主要包含CPU 和相關的外設模塊。對應的外設模塊包含以下內容：CPU 定時器、SPⅠ、GPⅠO、SCⅠ、ECAP 和ⅠⅠC等，準確了解模塊工作原理和編程過程?？傮w上，此次在對數字信號處理器虛擬實驗系統開發期間，將芯片放在重要的位置。以proteus 工具為基礎構建起數字信號處理器模擬實驗系統時，要體現出能夠將proteus和CCS 保持交流，因此，需要提前掌握兩者建立聯系的處理過程[8]。

相關開發步驟如下：①在CCS 中創建工程；②按照項目具體功能要求對相關代碼進行編寫；③對程序進行編譯并對錯誤予以檢查；④生成.cof 文件；⑤將生成的.cof 文件加載至TMS；⑥運營proteus 并觀察實驗結果狀況；⑦確定滿足功能要求；⑧實驗系統開發成功。值得注意的是，如果在操作過程中發現編寫程序后所呈現出的功能不符合功能要求，則應該對程序進行修改，修改后繼續執行上述過程，最終保證滿足開發需求。

3.2 對應.cof 文件的生成與加載

在開發設計虛擬實驗系統期間，.cof 文件的生成和處理是比較關鍵的步驟，它能夠影響到數字信號處理器芯片的工作過程，按照.cof 文件的主要生成過程，主要步驟流程如圖1 所示。

圖1.cof 文件生成流程圖

.cof 文件產生后，必須要將其加載至數字信號處理器的芯片中。操作過程如下：通過點擊proteus 項目中的TMS 芯片欄目中的program Files 文件所對應的Debug，選出在其中的.cof 文件，然后予以確定，即可實現順利加載過程。等到該文件加載以后，執行后續的運行電路仿真過程，并及時判斷此次仿真的結果。

3.3 搭建服務器和對相關網頁進行制作

通過上述實驗系統的開發過程，構建起相關的網絡虛擬實驗系統，在執行期間要滿足網站的開發、區域網服務器的搭建需求。網頁制作主要使用到的軟件為Dreamweaver。為了快速觀察到實驗系統運行后的結果，應用LabVⅠEW 制作出相關的虛擬設備并將結果予以展示，再利用網頁鏈接及時發布出去。此外，為了給操作者帶來便利，需要上傳對應的文件，使用者可以直接登錄下載PDF 格式的文件。

在制作完成相關網頁內容后，就需要借助ⅠⅠS 對電腦進行設置，確保符合局域網服務模式，并且在執行期間用作服務器的電腦ⅠP 要是固定的，禁止將無線網連接的電腦當作服務器來使用。在保證上述操作內容正確無誤后，只要在區域網范圍內，對應的人員就可以在虛擬實驗系統中進行操作（使用客戶機端也已經成功安裝了LabVⅠEW），并能夠及時觀察到前期操作獲得的結果。此外，所在區域網范圍內的客戶機中也正確安裝了proteus 軟件和CCS 軟件，就表明執行軟件程序和下載文件內容等同樣可以滿足條件。

4 數字信號處理器虛擬實驗系統應用案例

通過上述分析，在設計好數字信號處理器虛擬實驗系統后，結合相關案例予以驗證。下面通過proteus仿真簡易電量計。電量計通過測量電池的電壓來獲知電池剩余的電量。先做一個粗略的近似假設，認為電壓與電量呈線性關系，測量電量實際上就是測量電池兩端的電壓。本例中，通過不同的LED 來顯示電源范圍的大小，同時使用7 段的數碼管顯示。通過proteus虛擬系統模擬的電路如圖2 所示。

圖2 簡易電量計電路原理圖

實例中使用的7 段數碼管是四位集成7 段數碼管，ABCDEFG 位是段碼，1234 是位碼，通過不斷地掃描位1、位2、位3、位4 及顯示相應的段碼，只要掃描時間足夠短，即可造成在人眼中形成視覺停留，認為所有數碼管全亮。D2 是紅色LED，顯示電壓高于4 V的情況，D3 是黃色LED，顯示電壓處于2.5～4 V 的情況，D4 是綠色LED，顯示電壓低于2.5 V 的情況。RV1 是可調電阻，可調端接于PA1，即是ADC1 通道，通過測量可調端的電壓實現其功能[9]。

通過程序設計生成.hex 可執行文件，在電路圖中對微處理器進行可執行文件加載，進行仿真，效果如圖3 所示。

圖3 電量計顯示效果

通過對簡易電量計的設計與顯示實驗，驗證了虛擬系統的可操作性，對實驗中需要進行的參數進行修改非常方便，虛擬實驗系統的可操作性優于傳統的數字信號處理器設備。在現實生活中，應用到數字信號處理器的項目相對較多，借助虛擬實驗系統能夠有效降低成本，提高工作效率。當前，數字信號處理器模擬實驗系統在電機控制、微機保護、開關電源等方面具有重要應用。同時，通過使用該實驗系統能夠培養操作者的實踐應用技能，讓操作者的算法、硬件和軟件的綜合使用能力得到提升。

5 結語

基于proteus 所設計出來的數字信號處理器虛擬實驗系統具有靈活、運行高效、開放、易于維護、價格低廉等優勢。在操作中不需要傳統的仿真器、擴展板、PC 機等相關設備，能夠有效突破早期實驗項目的學時限制、空間與地域限制等。在使用期間，它能夠有效消除傳統實物數字信號處理器對時間、空間、多樣化的硬件設備等因素的限制，能夠為操作者提供更廣闊的空間。在結合proteus 強度的軟件功能基礎上，可以通過軟件代碼調試、外圍器件組裝、硬件原理圖設計等予以實現。在實際使用過程中，該數字信號處理虛擬實驗系統能夠充分發揮出優勢，幫助操作者掌握有關的數字信號處理器原理及特征，正確理解系統設計和運行的方法，有效提升使用者的科技創新能力，并促進實驗質量和效率的提高。