基于proteus 的数字信号处理器虚拟实验系统的设计＊

江凤兵

（赣南师范大学科技学院，江西 赣州 341000）

数字信号处理器的英文简称为DSP，它是一种针对数字信号能够实现快速并实时处理的特定处理器，在应用期间拥有体积小、功耗量较低且计算处理速度异常迅速的特点，被称为实现数字信号处理的重要工具[1]。现阶段，数字信号处理器被广泛应用于通信、军事、自动执行、图形构造、医疗和电器等多种领域，由于价格相对低廉，具有较高的性价比，因此应用潜力巨大[2]。proteus 则是由英国的Labcenter Electronics公司开发出来的EDA 软件工具，能够在原理图分析、代码调试、外围电路协同仿真、核心芯片等方面发挥出重要作用，促进概念到产品的设计和开发[3]。应用该工具，能够将电路仿真、PCB 设计以及虚拟模拟仿真进行有效融合，便于工作者从专业角度去分析程序的运行过程与结果。proteus 在模拟电子系统、数字电子技术、单片机系统等方面的应用尤为广泛。

1 数字信号处理器虚拟实验系统设计背景

数字信号处理器（DSP）应用潜力较大，现阶段，计算机行业对DSP 技术型人才的需求极为迫切，有关DSP 技术已经成为不少高校开设的主要课程。从理论上来讲，DSP 课程属于实践性较强的课程种类，在具体实验阶段，能够有效提升实践者的科技创新能力。调查研究发现，在使用传统的DSP 实物实验系统时，必须要保证相关的硬件设备支持，例如实验箱、仿真器、PC 端等，这些硬件设备的使用无疑会提升实验过程的成本，再加上日常维护所需费用、实验场所等因素的限制，为实际应用开展带来了诸多困难[4]。而应用proteus 能够有效改善这一状况，由于proteus 支持MSP430、HC11、ARM、AVR 等多种处理器，且功能强大，因此在使用期间优势明显。本次研究基于proteus，结合LabVⅠEW、CCS 构建起对应的数字信号处理器虚拟实验系统，并介绍对应的系统设计与开发过程。帮助操作者即使在没有相关DSP 硬件设备的条件下，也能够自行完成硬件电路模型的创建，实现对DSP 的编程开发。且在有效利用该数字信号处理器虚拟实验系统期间，系统构建成本较低，也不需要专门去维护，具备较强的扩展性。

2 数字信号处理器模拟实验系统设计方案

2.1 开发软件

虚拟实验系统开发软件包含proteus、LabVⅠEW、CCS 软件。在具体执行应用期间，proteus 主要参与数字信号处理器最小系统、外围电路等相关硬件仿真模型过程中，LabVⅠEW 则是实现对应虚拟设备以及实验获取结果的输出显示，CCS 主要应用于数字信号处理器软件的开发与调试过程[5]。除去上述软件外，还需要借助Controlsuit 配置软件，保证能够在proteus 与CCS之间建立起相对稳定的连接，借助ⅠⅠS 能够满足帮助用户搭建器局域网服务器，使用Dreamweaver 用于相关网页的制作。

2.2 总体结构

数字信号处理器虚拟实验系统涵盖基础验证型实验与综合设计型实验2 个方面，在执行操作期间，各个模块的实验系统相对独立，且能够顺利完成相关内容。在操作基础实验期间，可以帮助操作者了解相关的虚拟实验系统的开发总体环境、硬件设备的电路模型构造、C 语言程序开发过程等，有利于提前熟悉数字信号处理器的相关模块功能、工作原理等，为后期开展综合实验奠定基础[6]。在执行综合实验过程中，要求操作者结合已掌握的专业知识完成相对复杂、系统性的实验项目。综合设计实验过程能够有效培养操作者对数字信号处理器虚拟实验系统软件和硬件的设计能力。创新实验则相对自由，由操作者自主完成选题，对相关内容实施设计与仿真，例如数据通信、自动化仪表、数字信号处理以及机电测控等过程。数字信号处理器虚拟实验系统内容如表1 所示。

表1 数字信号处理器虚拟实验系统内容

3 数字信号处理器虚拟实验系统开发设计

3.1 开发步骤

此次研究中虚拟实验系统的开发要利用proteus8.9 与CCS 等工具，其中使用proteus 期间要保证能够支持TMS 类芯片，这种芯片属于数字信号处理器控制器中较为重要的代表[7]。同时，从有效降低成本角度出发，对其封装、结构等实施精简化处理，主要包含CPU 和相关的外设模块。对应的外设模块包含以下内容：CPU 定时器、SPⅠ、GPⅠO、SCⅠ、ECAP 和ⅠⅠC等，准确了解模块工作原理和编程过程。总体上，此次在对数字信号处理器虚拟实验系统开发期间，将芯片放在重要的位置。以proteus 工具为基础构建起数字信号处理器模拟实验系统时，要体现出能够将proteus和CCS 保持交流，因此，需要提前掌握两者建立联系的处理过程[8]。

相关开发步骤如下：①在CCS 中创建工程；②按照项目具体功能要求对相关代码进行编写；③对程序进行编译并对错误予以检查；④生成.cof 文件；⑤将生成的.cof 文件加载至TMS；⑥运营proteus 并观察实验结果状况；⑦确定满足功能要求；⑧实验系统开发成功。值得注意的是，如果在操作过程中发现编写程序后所呈现出的功能不符合功能要求，则应该对程序进行修改，修改后继续执行上述过程，最终保证满足开发需求。

3.2 对应.cof 文件的生成与加载

在开发设计虚拟实验系统期间，.cof 文件的生成和处理是比较关键的步骤，它能够影响到数字信号处理器芯片的工作过程，按照.cof 文件的主要生成过程，主要步骤流程如图1 所示。

图1.cof 文件生成流程图

.cof 文件产生后，必须要将其加载至数字信号处理器的芯片中。操作过程如下：通过点击proteus 项目中的TMS 芯片栏目中的program Files 文件所对应的Debug，选出在其中的.cof 文件，然后予以确定，即可实现顺利加载过程。等到该文件加载以后，执行后续的运行电路仿真过程，并及时判断此次仿真的结果。

3.3 搭建服务器和对相关网页进行制作

通过上述实验系统的开发过程，构建起相关的网络虚拟实验系统，在执行期间要满足网站的开发、区域网服务器的搭建需求。网页制作主要使用到的软件为Dreamweaver。为了快速观察到实验系统运行后的结果，应用LabVⅠEW 制作出相关的虚拟设备并将结果予以展示，再利用网页链接及时发布出去。此外，为了给操作者带来便利，需要上传对应的文件，使用者可以直接登录下载PDF 格式的文件。

在制作完成相关网页内容后，就需要借助ⅠⅠS 对电脑进行设置，确保符合局域网服务模式，并且在执行期间用作服务器的电脑ⅠP 要是固定的，禁止将无线网连接的电脑当作服务器来使用。在保证上述操作内容正确无误后，只要在区域网范围内，对应的人员就可以在虚拟实验系统中进行操作（使用客户机端也已经成功安装了LabVⅠEW），并能够及时观察到前期操作获得的结果。此外，所在区域网范围内的客户机中也正确安装了proteus 软件和CCS 软件，就表明执行软件程序和下载文件内容等同样可以满足条件。

4 数字信号处理器虚拟实验系统应用案例

通过上述分析，在设计好数字信号处理器虚拟实验系统后，结合相关案例予以验证。下面通过proteus仿真简易电量计。电量计通过测量电池的电压来获知电池剩余的电量。先做一个粗略的近似假设，认为电压与电量呈线性关系，测量电量实际上就是测量电池两端的电压。本例中，通过不同的LED 来显示电源范围的大小，同时使用7 段的数码管显示。通过proteus虚拟系统模拟的电路如图2 所示。

图2 简易电量计电路原理图

实例中使用的7 段数码管是四位集成7 段数码管，ABCDEFG 位是段码，1234 是位码，通过不断地扫描位1、位2、位3、位4 及显示相应的段码，只要扫描时间足够短，即可造成在人眼中形成视觉停留，认为所有数码管全亮。D2 是红色LED，显示电压高于4 V的情况，D3 是黄色LED，显示电压处于2.5～4 V 的情况，D4 是绿色LED，显示电压低于2.5 V 的情况。RV1 是可调电阻，可调端接于PA1，即是ADC1 通道，通过测量可调端的电压实现其功能[9]。

通过程序设计生成.hex 可执行文件，在电路图中对微处理器进行可执行文件加载，进行仿真，效果如图3 所示。

图3 电量计显示效果

通过对简易电量计的设计与显示实验，验证了虚拟系统的可操作性，对实验中需要进行的参数进行修改非常方便，虚拟实验系统的可操作性优于传统的数字信号处理器设备。在现实生活中，应用到数字信号处理器的项目相对较多，借助虚拟实验系统能够有效降低成本，提高工作效率。当前，数字信号处理器模拟实验系统在电机控制、微机保护、开关电源等方面具有重要应用。同时，通过使用该实验系统能够培养操作者的实践应用技能，让操作者的算法、硬件和软件的综合使用能力得到提升。

5 结语

基于proteus 所设计出来的数字信号处理器虚拟实验系统具有灵活、运行高效、开放、易于维护、价格低廉等优势。在操作中不需要传统的仿真器、扩展板、PC 机等相关设备，能够有效突破早期实验项目的学时限制、空间与地域限制等。在使用期间，它能够有效消除传统实物数字信号处理器对时间、空间、多样化的硬件设备等因素的限制，能够为操作者提供更广阔的空间。在结合proteus 强度的软件功能基础上，可以通过软件代码调试、外围器件组装、硬件原理图设计等予以实现。在实际使用过程中，该数字信号处理虚拟实验系统能够充分发挥出优势，帮助操作者掌握有关的数字信号处理器原理及特征，正确理解系统设计和运行的方法，有效提升使用者的科技创新能力，并促进实验质量和效率的提高。