嵌入式數字存儲示波器

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:32:14 來源：

1數字存儲示波器的總體系統設計

　　本文介紹的數字存儲示波器是構建于嵌入式uCLinux操作系統平臺之上，采用三星S3C44BOX 芯片作為處理器，集數據采集、顯示、打印、存儲和分析等多項功能于一體的40MHz智能測試儀器。系統框圖如圖1所示。
1.1S3C44BOX微處理器簡介
　　Samsung S3C44BOX是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比和高性能的微處理器，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。為了降低系統總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了下列部件：8KB Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2通道UART、1 個多主IIC總線控制器、1個IIS(InterIC Sound)總線控制器，5通道PWM定時器及1個內部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、實時時鐘、8通道12位ADC等。
1.2A/D轉換采集系統
　　由于數字存儲示波器工作在40MHz，而S3C44BOX處理器內帶ADC的工作頻率最高只能達到50kH z，所以必須單獨設計一個A/D轉換采集系統，其組成如圖2所示。

　　其中ADC采用Philips公司的TDA8768芯片，其性能為：12位高速A/D，采樣頻率為70MHz，-3d B的帶寬可以達到245MHz。“放大增益選擇”和“采樣頻率選擇”分別控制系統中的放大濾波模塊與ADC中的時鐘輸入端，以滿足儀器的增益范圍(100mV/div～5V/div)和時基范圍(200 ns/div～50ms/div)的要求，以上兩者均為1-2-5步進方式，采樣頻率與放大幅度通過觸摸屏設置。
1.3系統接口設計
　　根據數字存儲示波器的隨機采樣原理得知：示波器每次觸發以后，A/D轉換器完成一組采樣序列，并將其存入高速RAM中；稍后，由微處理器進行處理，顯示在液晶屏幕上，這就是一次數據獲得過程。系統接口具體方案如圖3所示。使用微處理器S3C44BOX的I/O端口來讀取數據并發出控制信號。其中“FIFO RAM”為先進先出存儲器，采用IDT公司的IDT72V02型號，最高轉換速率為15ns，1024×9bit存儲空間。
　　系統利用S3C44BOX微處理器I/O端口中的F端口實現數據的輸入輸出，利用D端口和G端口來進行控制。采集的信號經過A/D變換后首先進入FIFO存儲器，當從FIFO中每讀出一個數據后需要再向其發送一個讀數脈沖信號，這樣才能保證讀出下一個單元內存儲的數據，讀數脈沖由 G端口的第四位PG4給出。數據從FIFO存儲器中被讀出后經過數字鎖存器進入端口F的數據寄存器PFDATA中，數字鎖存信號由D端口的第四位PD4給出。當處理器讀周期到來時，數據由端口被讀入內存。每當數據采滿1K時，FIFO存儲器會產生一個中斷信號，該中斷信號由D端口的PD6輸入給微處理器。

2系統軟件結構
　　基于嵌入式數字存儲示波器系統軟件主要分為數據采集和存儲模塊、波形顯示和刷新模塊以及觸摸屏控制模塊3個部分。系統軟件由uCLinux下的C語言編程實現。
2.1數據采集和存儲模塊
　　數據采集存儲模塊的流程如圖4所示。

　　CPU首先向A/D數據采集系統發送所要求的頻率和幅值信號，然后發出復位信號采集系統開始采集數據。采集到的數據經過FIFO存儲器，由F口讀入內存并存入指定數據緩沖區之中。在存儲過程中，采用了雙緩沖區機制，數據按1K大小分塊，相鄰的兩塊數據交替存放在內存的不同的區域中，在每讀入1K個數據之后，內存中都存有連續的2K個采樣數據，這樣有助于以后對數據的處理和顯示。
2.2波形顯示和刷新模塊
　　系統使用一塊大小為240×320像素的256彩色液晶顯示屏，其平面尺寸為93mm×75mm(長 ×寬)。微處理器S3C44BOX為LCD的控制提供了良好的支持，其實現主要通過微處理器中的LC D控制器來完成。波形的顯示主要通過將數字量轉換成液晶顯示屏上點的坐標來實現，存放在內存中的數據經過坐標變換就可以在LCD上進行顯示。因為LCD的坐標系與顯示波形時所用的坐標系y軸方向相反，且需要將波形顯示在屏幕的特定區域內，所以在顯示之前要對數據進行歸一化處理。從端口讀入數據的范圍為0～0xff，0點對應于LCD上y軸坐標的190 ，0xff對應于LCD上y軸坐標的50，則0x7f對應于LCD上坐標為120的點，即屏幕顯示的零點，相應的轉化公式為：Y=120-(data-0x7f)×0x7f，其中：data為從端口讀入的數據；Y是data在LCD上顯示的y坐標。LCD一屏可以顯示300個數據點，點與點之間用矢量法直線相連。
2.3觸摸屏控制模塊
　　觸摸屏是附著在LCD表面的一層透明薄膜，它將壓力轉換成模擬電信號，再經過模數轉換送給系統。本系統觸摸屏使用FM7843芯片控制。FM7843是4線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750μW，而在關閉模式下的功耗僅為0.5μW。圖5為觸摸屏工作流程示意圖。觸摸屏通過中斷方式完成其功能，從執行流程上來說，首先在Touch Panelinit() 中完成兩件事：注冊驅動程序和注冊中斷。對于觸摸屏設備，主設備號為58，設備名為“FM 7843”，驅動程序子函數集為Touch Panelfops。Touch Panelfops中指定了read，sele ct，open，telease四個操作子函數的地址，依次為：Read Touch Panel，Touch Panel Sel ect，Open Touch Panel和Close TouchPanel。當用戶進程調用open()打開/dev/FM7843時，內核調用Open Touch Panel()；用戶進程調用read()讀該設備時，內核調用Read Touch P anel()。requestirq()注冊中斷處理，中斷為TOUCHPANELIRQNUM，中斷處理程序為To uch Panel Interrupt()，說明為“TouchPanel”。當觸摸屏被觸摸有數據來到時，中斷被觸發，調用中斷處理程序，準備處理數據。
　　該系統中觸摸屏主要用于獲取用戶的控制信息，在LCD的上方顯示有若干個觸摸屏按鈕，例如其中有幅值增加、幅值減小、頻率增加和頻率減小等。幅值和頻率的選定值存放在指定內存單元中，當檢測到觸摸點的坐標在相應區域中后，系統就會根據程序預先設定來設定采樣頻率和幅值，這些在前、后臺任務之間進行同步和通信。任務之間的通信是通過共享指定的物理內存單元來實現的，不同任務之間對共享內存單元的訪問是互斥的。uCLinux的設計針對沒有MMU(內存管理單元模塊)的處理器，不能使用虛擬內存管理技術。uCLinux系統對于內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址，操作系統對內存空間沒有保護。當觸摸屏檢測到有改變幅值或頻率的信號發生時，就去修改指定單元中存儲的數據，這樣的內存單元對于兩個任務來說屬于臨界資源，在觸摸屏修改內存期間需要禁止其他程序對該內存進行任何操作。同樣，采集程序每次在發送幅值和頻率信號之前要對該內存單元進行讀操作，若在此時有觸摸屏信號對內存提出寫操作要求，程序就應該進行等待，直到采集部分的讀操作執行完畢，釋放內存的訪問權。