江鳳兵

（贛南師范大學(xué)科技學(xué)院，江西 贛州 341000）

數(shù)字信號處理器的英文簡稱為DSP，它是一種針對數(shù)字信號能夠?qū)崿F(xiàn)快速并實時處理的特定處理器，在應(yīng)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(xiàn)數(shù)字信號處理的重要工具[1]。現(xiàn)階段，數(shù)字信號處理器被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、自動執(zhí)行、圖形構(gòu)造、醫(yī)療和電器等多種領(lǐng)域，由于價格相對低廉，具有較高的性價比，因此應(yīng)用潛力巨大[2]。proteus 則是由英國的Labcenter Electronics公司開發(fā)出來的EDA 軟件工具，能夠在原理圖分析、代碼調(diào)試、外圍電路協(xié)同仿真、核心芯片等方面發(fā)揮出重要作用，促進(jìn)概念到產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)[3]。應(yīng)用該工具，能夠?qū)㈦娐贩抡?、PCB 設(shè)計以及虛擬模擬仿真進(jìn)行有效融合，便于工作者從專業(yè)角度去分析程序的運行過程與結(jié)果。proteus 在模擬電子系統(tǒng)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機系統(tǒng)等方面的應(yīng)用尤為廣泛。

1 數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計背景

數(shù)字信號處理器（DSP）應(yīng)用潛力較大，現(xiàn)階段，計算機行業(yè)對DSP 技術(shù)型人才的需求極為迫切，有關(guān)DSP 技術(shù)已經(jīng)成為不少高校開設(shè)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(chuàng)新能力。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在使用傳統(tǒng)的DSP 實物實驗系統(tǒng)時，必須要保證相關(guān)的硬件設(shè)備支持，例如實驗箱、仿真器、PC 端等，這些硬件設(shè)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(yīng)用開展帶來了諸多困難[4]。而應(yīng)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(yōu)勢明顯。本次研究基于proteus，結(jié)合LabVⅠEW、CCS 構(gòu)建起對應(yīng)的數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)，并介紹對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程。幫助操作者即使在沒有相關(guān)DSP 硬件設(shè)備的條件下，也能夠自行完成硬件電路模型的創(chuàng)建，實現(xiàn)對DSP 的編程開發(fā)。且在有效利用該數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)期間，系統(tǒng)構(gòu)建成本較低，也不需要專門去維護，具備較強的擴展性。

2 數(shù)字信號處理器模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 開發(fā)軟件

虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)軟件包含proteus、LabVⅠEW、CCS 軟件。在具體執(zhí)行應(yīng)用期間，proteus 主要參與數(shù)字信號處理器最小系統(tǒng)、外圍電路等相關(guān)硬件仿真模型過程中，LabVⅠEW 則是實現(xiàn)對應(yīng)虛擬設(shè)備以及實驗獲取結(jié)果的輸出顯示，CCS 主要應(yīng)用于數(shù)字信號處理器軟件的開發(fā)與調(diào)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(wěn)定的連接，借助ⅠⅠS 能夠滿足幫助用戶搭建器局域網(wǎng)服務(wù)器，使用Dreamweaver 用于相關(guān)網(wǎng)頁的制作。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)涵蓋基礎(chǔ)驗證型實驗與綜合設(shè)計型實驗2 個方面，在執(zhí)行操作期間，各個模塊的實驗系統(tǒng)相對獨立，且能夠順利完成相關(guān)內(nèi)容。在操作基礎(chǔ)實驗期間，可以幫助操作者了解相關(guān)的虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)總體環(huán)境、硬件設(shè)備的電路模型構(gòu)造、C 語言程序開發(fā)過程等，有利于提前熟悉數(shù)字信號處理器的相關(guān)模塊功能、工作原理等，為后期開展綜合實驗奠定基礎(chǔ)[6]。在執(zhí)行綜合實驗過程中，要求操作者結(jié)合已掌握的專業(yè)知識完成相對復(fù)雜、系統(tǒng)性的實驗項目。綜合設(shè)計實驗過程能夠有效培養(yǎng)操作者對數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計能力。創(chuàng)新實驗則相對自由，由操作者自主完成選題，對相關(guān)內(nèi)容實施設(shè)計與仿真，例如數(shù)據(jù)通信、自動化儀表、數(shù)字信號處理以及機電測控等過程。數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)內(nèi)容如表1 所示。

表1 數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)內(nèi)容

3 數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

3.1 開發(fā)步驟

此次研究中虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)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(shù)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(fā)，對其封裝、結(jié)構(gòu)等實施精簡化處理，主要包含CPU 和相關(guān)的外設(shè)模塊。對應(yīng)的外設(shè)模塊包含以下內(nèi)容：CPU 定時器、SPⅠ、GPⅠO、SCⅠ、ECAP 和ⅠⅠC等，準(zhǔn)確了解模塊工作原理和編程過程。總體上，此次在對數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)期間，將芯片放在重要的位置。以proteus 工具為基礎(chǔ)構(gòu)建起數(shù)字信號處理器模擬實驗系統(tǒng)時，要體現(xiàn)出能夠?qū)roteus和CCS 保持交流，因此，需要提前掌握兩者建立聯(lián)系的處理過程[8]。

相關(guān)開發(fā)步驟如下：①在CCS 中創(chuàng)建工程；②按照項目具體功能要求對相關(guān)代碼進(jìn)行編寫；③對程序進(jìn)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(jié)果狀況；⑦確定滿足功能要求；⑧實驗系統(tǒng)開發(fā)成功。值得注意的是，如果在操作過程中發(fā)現(xiàn)編寫程序后所呈現(xiàn)出的功能不符合功能要求，則應(yīng)該對程序進(jìn)行修改，修改后繼續(xù)執(zhí)行上述過程，最終保證滿足開發(fā)需求。

3.2 對應(yīng).cof 文件的生成與加載

在開發(fā)設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)期間，.cof 文件的生成和處理是比較關(guān)鍵的步驟，它能夠影響到數(shù)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(chǎn)生后，必須要將其加載至數(shù)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(yīng)的Debug，選出在其中的.cof 文件，然后予以確定，即可實現(xiàn)順利加載過程。等到該文件加載以后，執(zhí)行后續(xù)的運行電路仿真過程，并及時判斷此次仿真的結(jié)果。

3.3 搭建服務(wù)器和對相關(guān)網(wǎng)頁進(jìn)行制作

通過上述實驗系統(tǒng)的開發(fā)過程，構(gòu)建起相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)，在執(zhí)行期間要滿足網(wǎng)站的開發(fā)、區(qū)域網(wǎng)服務(wù)器的搭建需求。網(wǎng)頁制作主要使用到的軟件為Dreamweaver。為了快速觀察到實驗系統(tǒng)運行后的結(jié)果，應(yīng)用LabVⅠEW 制作出相關(guān)的虛擬設(shè)備并將結(jié)果予以展示，再利用網(wǎng)頁鏈接及時發(fā)布出去。此外，為了給操作者帶來便利，需要上傳對應(yīng)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(guān)網(wǎng)頁內(nèi)容后，就需要借助ⅠⅠS 對電腦進(jìn)行設(shè)置，確保符合局域網(wǎng)服務(wù)模式，并且在執(zhí)行期間用作服務(wù)器的電腦ⅠP 要是固定的，禁止將無線網(wǎng)連接的電腦當(dāng)作服務(wù)器來使用。在保證上述操作內(nèi)容正確無誤后，只要在區(qū)域網(wǎng)范圍內(nèi)，對應(yīng)的人員就可以在虛擬實驗系統(tǒng)中進(jìn)行操作（使用客戶機端也已經(jīng)成功安裝了LabVⅠEW），并能夠及時觀察到前期操作獲得的結(jié)果。此外，所在區(qū)域網(wǎng)范圍內(nèi)的客戶機中也正確安裝了proteus 軟件和CCS 軟件，就表明執(zhí)行軟件程序和下載文件內(nèi)容等同樣可以滿足條件。

4 數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用案例

通過上述分析，在設(shè)計好數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)后，結(jié)合相關(guān)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(shè)，認(rèn)為電壓與電量呈線性關(guān)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(shù)碼管顯示。通過proteus虛擬系統(tǒng)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(shù)碼管是四位集成7 段數(shù)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(yīng)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(rèn)為所有數(shù)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(diào)電阻，可調(diào)端接于PA1，即是ADC1 通道，通過測量可調(diào)端的電壓實現(xiàn)其功能[9]。

通過程序設(shè)計生成.hex 可執(zhí)行文件，在電路圖中對微處理器進(jìn)行可執(zhí)行文件加載，進(jìn)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(shè)計與顯示實驗，驗證了虛擬系統(tǒng)的可操作性，對實驗中需要進(jìn)行的參數(shù)進(jìn)行修改非常方便，虛擬實驗系統(tǒng)的可操作性優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理器設(shè)備。在現(xiàn)實生活中，應(yīng)用到數(shù)字信號處理器的項目相對較多，借助虛擬實驗系統(tǒng)能夠有效降低成本，提高工作效率。當(dāng)前，數(shù)字信號處理器模擬實驗系統(tǒng)在電機控制、微機保護、開關(guān)電源等方面具有重要應(yīng)用。同時，通過使用該實驗系統(tǒng)能夠培養(yǎng)操作者的實踐應(yīng)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(jié)語

基于proteus 所設(shè)計出來的數(shù)字信號處理器虛擬實驗系統(tǒng)具有靈活、運行高效、開放、易于維護、價格低廉等優(yōu)勢。在操作中不需要傳統(tǒng)的仿真器、擴展板、PC 機等相關(guān)設(shè)備，能夠有效突破早期實驗項目的學(xué)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(tǒng)實物數(shù)字信號處理器對時間、空間、多樣化的硬件設(shè)備等因素的限制，能夠為操作者提供更廣闊的空間。在結(jié)合proteus 強度的軟件功能基礎(chǔ)上，可以通過軟件代碼調(diào)試、外圍器件組裝、硬件原理圖設(shè)計等予以實現(xiàn)。在實際使用過程中，該數(shù)字信號處理虛擬實驗系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮出優(yōu)勢，幫助操作者掌握有關(guān)的數(shù)字信號處理器原理及特征，正確理解系統(tǒng)設(shè)計和運行的方法，有效提升使用者的科技創(chuàng)新能力，并促進(jìn)實驗質(zhì)量和效率的提高。