基于Proteus的DSP虚拟实验系统设计与开发

姚 睿，李增武，付大丰，王友仁，储剑波，崔 江

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016）

虚拟仿真技术探索与实践

基于Proteus的DSP虚拟实验系统设计与开发

姚 睿，李增武，付大丰，王友仁，储剑波，崔 江

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016）

针对传统DSP实验受实验场所、实验设备、实验学时制约的问题，基于Proteus设计和开发了DSP虚拟实验系统，给出了系统总体设计方案、开发流程和应用示例。该系统具有高效、开放、灵活、经济、易维护等优点，可辅助实物实验，帮助学生掌握DSP原理与应用系统设计方法，提高工程实践能力与科技创新能力。关键词：数字信号处理器；虚拟实验系统；Proteus；CCS；LabVIEW

1 DSP虚拟实验系统的开发背景

数字信号处理器（digital signal processor，DSP）是对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具［1］。目前，DSP已在信号处理、通信语音、图形／图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等诸多领域被广泛应用，且其价格越来越低，性价比日益提高，具有巨大的应用潜力。目前，IT产业及其相关工程领域对熟悉DSP技术的人才的需求量很大，国内许多高校相继为研究生和高年级本科生开设了DSP技术及应用课程。

DSP课程是实践性很强的应用性课程，实验对培养学生在DSP技术方面的工程应用能力与科技创新能力至关重要。然而，传统的DSP实物实验需要诸多硬件设备支持，如PC机、仿真器、实验箱、扩展板，因而实验室建设和维护成本较高，并且受实验场所、实验学时的制约，实物实验难以满足教学任务和学生实践需求。因此，作为传统实验的很好补充，虚拟实验越来越受到国内高校和科研机构的重视，它已经成为实验室建设、实验教学改革和提高实验教学质量的重要手段［2－7］。

Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，具有代码调试、原理图布图、核心芯片与外围电路协同仿真的强大功能，可实现从概念到产品的完整设计。Proteus是目前唯一将PCB设计、电路仿真和虚拟模型仿真融合的设计平台，支持HC11、8051、PIC10／12／16／18／24／30／PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等处理器。使用Proteus设计和仿真电子系统，可以从工程的角度观察电路工作的过程、程序的运行过程和运行结果。因此Proteus在数字电子技术、模拟电子技术以及各种单片机系统的实验教学中得到了广泛应用［8－10］。

2010年，Proteus增加了对DSP的仿真支持，并给出了基于TMS320F28027的仿真实例。然而，所给仿真实例数量有限，且是封装好的，用户无法根据需要进行修改。目前，各种文献和参考书中尚无基于Proteus开发DSP虚拟实验的详细报道。

本文利用Proteus、CCS和LabVIEW构建DSP虚拟实验系统，给出了系统设计和开发流程，可以使学生在没有DSP硬件实验系统的情况下，自行搭建硬件电路模型，并对DSP进行编程开发，达到学习DSP原理和设计DSP应用系统目的。相对于传统的DSP实物实验，该虚拟仿真实验系统成本低廉，不需要进行专门维护，且可扩展性更强。使用者可根据自己的意愿改变相关电路结构，具有较强的实用性。

2 虚拟实验系统总体方案设计

2．1 虚拟实验系统开发软件

DSP虚拟实验系统开发主要使用Proteus、CCS和LabVIEW等3种软件。Proteus用于搭建DSP最小系统和外围电路的硬件仿真模型，CCS用于DSP软件的开发和调试，LabVIEW用于实现虚拟仪器和实验结果的显示。另外，尚需Controlsuit配置软件在CCS和Proteus间建立稳定的连接，用IIS实现用户局域网服务器的搭建，用Dreamweaver实现网页的制作［11］。

2．2 虚拟实验系统总体结构

DSP虚拟实验系统分为基础实验、综合实验和创新实验3个模块，每个模块均为独立的实验子系统，可以完成特定的实验内容（见图1）。

图1 虚拟实验系统的组成

基础实验能使学生熟练掌握虚拟实验系统开发环境、系统硬件电路模型搭建和C语言程序的开发方法，熟悉DSP各片内外设模块的工作原理和应用、开发方法，为下一步利用该实验平台进行综合设计实验项目打下基础。综合实验要求学生综合应用本学科知识和相应实验条件，完成系统级的复杂实验。通过综合设计实验，可以培养学生进行DSP应用系统软、硬件设计和开发的能力。创新实验支持学生自选专题内容进行设计和仿真，如数字信号处理系统、数据通信与网络、数字控制系统、自动化仪表、机电测控系统等。

3 虚拟实验系统的开发流程

3．1 虚拟实验开发步骤

本虚拟实验系统的开发使用Proteus 7．10和CCS 4．2开发工具。Proteus7．10支持TMS320F28027芯片，该芯片是TI 2000系列DSP控制器中精简版本的典型代表。为降低成本，其结构和封装进行了精简，但其CPU和片内通用外设模块（如GPIO、EPWM、SPI、CPU定时器、SCI、IIC、和ECAP等）的结构、工作原理及编程开发方法并未改变，仅仅在外设数量上进行了精简。因此，本虚拟实验系统的开发以该芯片为对象。

开发基于Proteus的DSP虚拟实验系统的关键在于实现CCS和Proteus的联调。然而，Proteus和CCS中均未明确给出二者建立联系的具体方式。本文在查阅相关英文资料和大量实验的基础上，掌握了建立二者连接的方式。虚拟实验系统中所有实验均基于这一方式开发，具体开发过程如图2所示。

3．2 ．cof文件的生成和加载

．cof文件的生成是虚拟实验开发过程中的关键步骤，决定了Proteus中DSP芯片能否正常工作。．cof文件的生成过程如图3所示。

图2 实验例程开发过程

图3 ．cof文件的生成过程

．cof文件生成后，需将其加载到DSP芯片中：双击Proteus中的TMS320F28027芯片—选中Program Files中的文件夹图标—选中Debug文件夹中的．cof文件—点击“OK”，即可成功加载。加载．cof文件后，即可运行电路进行仿真，并观察仿真结果。

3．3 服务器的搭建及网页的制作

为方便学生进行实验和实现实验的开放，在虚拟实验开发的基础上，构建了网络虚拟实验系统。网络虚拟实验系统的构建包括网站开发和局域网服务器搭建。网页开发采用Dreamweaver软件。为便于在线观察实验结果，利用LabVIEW制作了虚拟仪器以显示实验结果，并通过网页链接发布［12］。虚拟实验系统的使用指南和实验指导书也制作成网页在网上发布，并提供PDF格式文件可供下载，方便学生进行实验。

网页制作完毕，通过IIS将电脑设置为局域网服务器。设置过程中必须使用IP固定的电脑作为服务器，而通过无线网连接的电脑不可用作服务器。设置完毕后，局域网中的客户机即可访问服务器上的虚拟实验系统。客户机端只需安装同版本的LabVIEW即可进行在线实验，既可在前面板中观察实验结果，也可获取前面板的控制权［13］。另外，如果客户机安装了Proteus和CCS软件，亦可下载原理图和软件程序在本地进行实验。

4 虚拟实验系统应用示例

温度、湿度监测对于粮食、蔬菜、药品等的存储具有重要意义。本文以温湿度监测系统虚拟实验为例，说明虚拟实验系统的使用方法。

该系统主要包括传感器、主控制器和显示模块3部分。选择SHT21温湿度传感器进行温湿度信息的实时采集，TMS320F28027作为主控芯片进行数据的处理，并把温湿度的实时监测结果显示在液晶显示模块LCD12864A上。在Proteus中搭建的系统硬件电路模型如图4所示。

图4 温湿度监测系统硬件模型与运行效果

硬件电路模型搭建完毕后，需要对DSP编程，实现温湿度数据的读取、处理和显示，相应软件流程图如图5所示。

程序经过调试后，按照前文所述方法生成．cof文件，并加载至图4中主控芯片TMS320F28027，然后即可仿真运行。在Proteus中点击原理图界面上的运行按钮，即可在图4液晶显示屏上观察到所示效果。

图5 温湿度监测系统软件流程图

5 结束语

基于Proteus的DSP虚拟实验系统具有高效、开放、灵活、经济、易维护等优点，不仅克服了传统实物实验对硬件设备的依赖，而且可以跨越时间、空间及实验内容的约束，给学生更大的自由发挥空间。借助于Proteus软件强大的硬件原理图设计、软件代码调试、处理器与外围器件协同调试仿真以及PCB设计能力，该实验系统可以辅助学生掌握DSP原理与应用系统设计方法，提高学生的工程实践与科技创新能力。该虚拟实验系统提供了自主式、开放式的网络实践教学平台，并可在此基础上结合硬件实验平台，进一步构建虚实结合的实验教学模式，提高实验效率和效果。

（References）

［1］姚睿，王有仁，储剑波，等．DSP－C2000综合实验平台的研制与开发［J］．沈阳理工大学学报，2005（2），22－23．

［2］任俊，张红燕．运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学［J］．实验技术与管理，2014，31（3）：95－97．

［3］余金华．基于虚拟仪器技术的实验教学研究［J］．安徽工业大学学报，2009，26（6）：123－124．

［4］周敬森，汪凤娇，朱博航，等．基于LabVIEW的“信号与系统”实验软平台搭建［J］．现代电子技术，2011，34（23）：169－174．

［5］唐勇奇，黄绍平，刘国繁，等．校企合作培养“卓越工程师”：以湖南工程学院实施“卓越工程师教育培养计划”为例［J］．教育探索，2010（12）：71－74．

［6］叶志攀，金佩华．中国工程教育实践教研研究综述［J］．高等工程教育研究，2008，27（6）：1－3．

［7］全晓莉，周南权．基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究［J］．实验技术与管理，2014，31（4）：93－95．

［8］袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等．基于Proteus的单片机课程教学和实验改革［J］．实验室研究与探索，2007，26（12）：75－76．

［9］徐小栋，胡春，董守昆，等．利用Proteus软件构建单片机虚拟仿真实验室［J］．计算机与数字工程，2012，40（1）：154－156．

［10］顾能华，朱莉．虚拟单片机实验仿真平台的构建［J］．实验技术与管理，2010，27（10）：98－100．

［11］姜楠，师肖红．Dreamweaver 8完美网页设计与制作［M］．北京：中国青年出版社，2006．

［12］胡仁喜，高海宾．LabVIEW2010中文版虚拟仪器从入门到精通［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［13］高洪涛．HTML＋CCS网站开发兵书［M］．北京：电子工业出版社，2013．

Design and development of DSP virtual experimental system based on Proteus

Yao Rui，Li Zengwu，Fu 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

江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题“DSP技术及应用课程综合教学改革与创新实践”资助；南京航空航天大学教育教学改革项目“依托研究生公共实验教学基地，研究全日制专业学位硕士研究生工程应用与科技创新能力培养方法”资助；南京航空航天大学2014—2015年本科专业建设项目“DSP实用技术研究性教学”资助

姚睿（1974—），女，河南邓州，博士，副教授，主要从事DSP技术与应用、模拟电子技术、进化硬件理论与技术、嵌入式测控系统自修复技术方面的教学和科研工作．

E－mail：yaorui＠nuaa．edu．cn