姚 睿，李增武，付大豐，王友仁，儲劍波，崔 江

（南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016）

虛擬仿真技術探索與實踐

基于Proteus的DSP虛擬實驗系統(tǒng)設計與開發(fā)

姚 睿，李增武，付大豐，王友仁，儲劍波，崔 江

（南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016）

針對傳統(tǒng)DSP實驗受實驗場所、實驗設備、實驗學時制約的問題，基于Proteus設計和開發(fā)了DSP虛擬實驗系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體設計方案、開發(fā)流程和應用示例。該系統(tǒng)具有高效、開放、靈活、經濟、易維護等優(yōu)點，可輔助實物實驗，幫助學生掌握DSP原理與應用系統(tǒng)設計方法，提高工程實踐能力與科技創(chuàng)新能力。關鍵詞：數(shù)字信號處理器；虛擬實驗系統(tǒng)；Proteus；CCS；LabVIEW

1 DSP虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)背景

數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）是對數(shù)字信號進行高速實時處理的專用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點，是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的強大工具［1］。目前，DSP已在信號處理、通信語音、圖形／圖像、軍事、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療、家用電器等諸多領域被廣泛應用，且其價格越來越低，性價比日益提高，具有巨大的應用潛力。目前，IT產業(yè)及其相關工程領域對熟悉DSP技術的人才的需求量很大，國內許多高校相繼為研究生和高年級本科生開設了DSP技術及應用課程。

DSP課程是實踐性很強的應用性課程，實驗對培養(yǎng)學生在DSP技術方面的工程應用能力與科技創(chuàng)新能力至關重要。然而，傳統(tǒng)的DSP實物實驗需要諸多硬件設備支持，如PC機、仿真器、實驗箱、擴展板，因而實驗室建設和維護成本較高，并且受實驗場所、實驗學時的制約，實物實驗難以滿足教學任務和學生實踐需求。因此，作為傳統(tǒng)實驗的很好補充，虛擬實驗越來越受到國內高校和科研機構的重視，它已經成為實驗室建設、實驗教學改革和提高實驗教學質量的重要手段［2－7］。

Proteus是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，具有代碼調試、原理圖布圖、核心芯片與外圍電路協(xié)同仿真的強大功能，可實現(xiàn)從概念到產品的完整設計。Proteus是目前唯一將PCB設計、電路仿真和虛擬模型仿真融合的設計平臺，支持HC11、8051、PIC10／12／16／18／24／30／PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等處理器。使用Proteus設計和仿真電子系統(tǒng)，可以從工程的角度觀察電路工作的過程、程序的運行過程和運行結果。因此Proteus在數(shù)字電子技術、模擬電子技術以及各種單片機系統(tǒng)的實驗教學中得到了廣泛應用［8－10］。

2010年，Proteus增加了對DSP的仿真支持，并給出了基于TMS320F28027的仿真實例。然而，所給仿真實例數(shù)量有限，且是封裝好的，用戶無法根據需要進行修改。目前，各種文獻和參考書中尚無基于Proteus開發(fā)DSP虛擬實驗的詳細報道。

本文利用Proteus、CCS和LabVIEW構建DSP虛擬實驗系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)設計和開發(fā)流程，可以使學生在沒有DSP硬件實驗系統(tǒng)的情況下，自行搭建硬件電路模型，并對DSP進行編程開發(fā)，達到學習DSP原理和設計DSP應用系統(tǒng)目的。相對于傳統(tǒng)的DSP實物實驗，該虛擬仿真實驗系統(tǒng)成本低廉，不需要進行專門維護，且可擴展性更強。使用者可根據自己的意愿改變相關電路結構，具有較強的實用性。

2 虛擬實驗系統(tǒng)總體方案設計

2．1 虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)軟件

DSP虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)主要使用Proteus、CCS和LabVIEW等3種軟件。Proteus用于搭建DSP最小系統(tǒng)和外圍電路的硬件仿真模型，CCS用于DSP軟件的開發(fā)和調試，LabVIEW用于實現(xiàn)虛擬儀器和實驗結果的顯示。另外，尚需Controlsuit配置軟件在CCS和Proteus間建立穩(wěn)定的連接，用IIS實現(xiàn)用戶局域網服務器的搭建，用Dreamweaver實現(xiàn)網頁的制作［11］。

2．2 虛擬實驗系統(tǒng)總體結構

DSP虛擬實驗系統(tǒng)分為基礎實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗3個模塊，每個模塊均為獨立的實驗子系統(tǒng)，可以完成特定的實驗內容（見圖1）。

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)的組成

基礎實驗能使學生熟練掌握虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)硬件電路模型搭建和C語言程序的開發(fā)方法，熟悉DSP各片內外設模塊的工作原理和應用、開發(fā)方法，為下一步利用該實驗平臺進行綜合設計實驗項目打下基礎。綜合實驗要求學生綜合應用本學科知識和相應實驗條件，完成系統(tǒng)級的復雜實驗。通過綜合設計實驗，可以培養(yǎng)學生進行DSP應用系統(tǒng)軟、硬件設計和開發(fā)的能力。創(chuàng)新實驗支持學生自選專題內容進行設計和仿真，如數(shù)字信號處理系統(tǒng)、數(shù)據通信與網絡、數(shù)字控制系統(tǒng)、自動化儀表、機電測控系統(tǒng)等。

3 虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)流程

3．1 虛擬實驗開發(fā)步驟

本虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)使用Proteus 7．10和CCS 4．2開發(fā)工具。Proteus7．10支持TMS320F28027芯片，該芯片是TI 2000系列DSP控制器中精簡版本的典型代表。為降低成本，其結構和封裝進行了精簡，但其CPU和片內通用外設模塊（如GPIO、EPWM、SPI、CPU定時器、SCI、IIC、和ECAP等）的結構、工作原理及編程開發(fā)方法并未改變，僅僅在外設數(shù)量上進行了精簡。因此，本虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)以該芯片為對象。

開發(fā)基于Proteus的DSP虛擬實驗系統(tǒng)的關鍵在于實現(xiàn)CCS和Proteus的聯(lián)調。然而，Proteus和CCS中均未明確給出二者建立聯(lián)系的具體方式。本文在查閱相關英文資料和大量實驗的基礎上，掌握了建立二者連接的方式。虛擬實驗系統(tǒng)中所有實驗均基于這一方式開發(fā)，具體開發(fā)過程如圖2所示。

3．2 ．cof文件的生成和加載

．cof文件的生成是虛擬實驗開發(fā)過程中的關鍵步驟，決定了Proteus中DSP芯片能否正常工作。．cof文件的生成過程如圖3所示。

圖2 實驗例程開發(fā)過程

圖3 ．cof文件的生成過程

．cof文件生成后，需將其加載到DSP芯片中：雙擊Proteus中的TMS320F28027芯片—選中Program Files中的文件夾圖標—選中Debug文件夾中的．cof文件—點擊“OK”，即可成功加載。加載．cof文件后，即可運行電路進行仿真，并觀察仿真結果。

3．3 服務器的搭建及網頁的制作

為方便學生進行實驗和實現(xiàn)實驗的開放，在虛擬實驗開發(fā)的基礎上，構建了網絡虛擬實驗系統(tǒng)。網絡虛擬實驗系統(tǒng)的構建包括網站開發(fā)和局域網服務器搭建。網頁開發(fā)采用Dreamweaver軟件。為便于在線觀察實驗結果，利用LabVIEW制作了虛擬儀器以顯示實驗結果，并通過網頁鏈接發(fā)布［12］。虛擬實驗系統(tǒng)的使用指南和實驗指導書也制作成網頁在網上發(fā)布，并提供PDF格式文件可供下載，方便學生進行實驗。

網頁制作完畢，通過IIS將電腦設置為局域網服務器。設置過程中必須使用IP固定的電腦作為服務器，而通過無線網連接的電腦不可用作服務器。設置完畢后，局域網中的客戶機即可訪問服務器上的虛擬實驗系統(tǒng)?？蛻魴C端只需安裝同版本的LabVIEW即可進行在線實驗，既可在前面板中觀察實驗結果，也可獲取前面板的控制權［13］。另外，如果客戶機安裝了Proteus和CCS軟件，亦可下載原理圖和軟件程序在本地進行實驗。

4 虛擬實驗系統(tǒng)應用示例

溫度、濕度監(jiān)測對于糧食、蔬菜、藥品等的存儲具有重要意義。本文以溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)虛擬實驗為例，說明虛擬實驗系統(tǒng)的使用方法。

該系統(tǒng)主要包括傳感器、主控制器和顯示模塊3部分。選擇SHT21溫濕度傳感器進行溫濕度信息的實時采集，TMS320F28027作為主控芯片進行數(shù)據的處理，并把溫濕度的實時監(jiān)測結果顯示在液晶顯示模塊LCD12864A上。在Proteus中搭建的系統(tǒng)硬件電路模型如圖4所示。

圖4 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件模型與運行效果

硬件電路模型搭建完畢后，需要對DSP編程，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據的讀取、處理和顯示，相應軟件流程圖如圖5所示。

程序經過調試后，按照前文所述方法生成．cof文件，并加載至圖4中主控芯片TMS320F28027，然后即可仿真運行。在Proteus中點擊原理圖界面上的運行按鈕，即可在圖4液晶顯示屏上觀察到所示效果。

圖5 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

5 結束語

基于Proteus的DSP虛擬實驗系統(tǒng)具有高效、開放、靈活、經濟、易維護等優(yōu)點，不僅克服了傳統(tǒng)實物實驗對硬件設備的依賴，而且可以跨越時間、空間及實驗內容的約束，給學生更大的自由發(fā)揮空間。借助于Proteus軟件強大的硬件原理圖設計、軟件代碼調試、處理器與外圍器件協(xié)同調試仿真以及PCB設計能力，該實驗系統(tǒng)可以輔助學生掌握DSP原理與應用系統(tǒng)設計方法，提高學生的工程實踐與科技創(chuàng)新能力。該虛擬實驗系統(tǒng)提供了自主式、開放式的網絡實踐教學平臺，并可在此基礎上結合硬件實驗平臺，進一步構建虛實結合的實驗教學模式，提高實驗效率和效果。

（References）

［1］姚睿，王有仁，儲劍波，等．DSP－C2000綜合實驗平臺的研制與開發(fā)［J］．沈陽理工大學學報，2005（2），22－23．

［2］任俊，張紅燕．運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學［J］．實驗技術與管理，2014，31（3）：95－97．

［3］余金華．基于虛擬儀器技術的實驗教學研究［J］．安徽工業(yè)大學學報，2009，26（6）：123－124．

［4］周敬森，汪鳳嬌，朱博航，等．基于LabVIEW的“信號與系統(tǒng)”實驗軟平臺搭建［J］．現(xiàn)代電子技術，2011，34（23）：169－174．

［5］唐勇奇，黃紹平，劉國繁，等．校企合作培養(yǎng)“卓越工程師”：以湖南工程學院實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為例［J］．教育探索，2010（12）：71－74．

［6］葉志攀，金佩華．中國工程教育實踐教研研究綜述［J］．高等工程教育研究，2008，27（6）：1－3．

［7］全曉莉，周南權．基于虛擬儀器技術的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)研究［J］．實驗技術與管理，2014，31（4）：93－95．

［8］袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，等．基于Proteus的單片機課程教學和實驗改革［J］．實驗室研究與探索，2007，26（12）：75－76．

［9］徐小棟，胡春，董守昆，等．利用Proteus軟件構建單片機虛擬仿真實驗室［J］．計算機與數(shù)字工程，2012，40（1）：154－156．

［10］顧能華，朱莉．虛擬單片機實驗仿真平臺的構建［J］．實驗技術與管理，2010，27（10）：98－100．

［11］姜楠，師肖紅．Dreamweaver 8完美網頁設計與制作［M］．北京：中國青年出版社，2006．

［12］胡仁喜，高海賓．LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門到精通［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［13］高洪濤．HTML＋CCS網站開發(fā)兵書［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

Design and development of DSP virtual experimental system based on Proteus

Yao Rui，Li Zengwu，F(xiàn)u Dafeng，Wang Youren，Chu Jianbo，Cui Jiang
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In view of the problems in traditional DSP experiments，such as the constraint of experimental site，experimental equipment and experimental time，a DSP virtual experimental system based on Proteus has been designed and developed，and the overall design scheme，development flow and application example have been given．The system is efficient，open，flexible，economical and easy to maintain．It can be used as a supplement to the physical experiments，to help students to master the principles of DSP and the design method of DSP application system，and to improve students’abilities of engineering practice and technological innovation．

DSP；virtual experimental system；Proteus；CCS；LabVIEW

TP391．9

A

1002－4956（2015）3－0123－03

2014－07－05

江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題“DSP技術及應用課程綜合教學改革與創(chuàng)新實踐”資助；南京航空航天大學教育教學改革項目“依托研究生公共實驗教學基地，研究全日制專業(yè)學位碩士研究生工程應用與科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法”資助；南京航空航天大學2014—2015年本科專業(yè)建設項目“DSP實用技術研究性教學”資助

姚睿（1974—），女，河南鄧州，博士，副教授，主要從事DSP技術與應用、模擬電子技術、進化硬件理論與技術、嵌入式測控系統(tǒng)自修復技術方面的教學和科研工作．

E－mail：yaorui＠nuaa．edu．cn