（测试计量技术及仪器专业论文）四通道数字示波器数据采集与存储设计.pdf

摘要 摘要 当社会进入二十一世纪后，科学技术以前所未有的速度发展，其中以i t 行业发 展最为引人注目，科学技术的发展离不开测试手段的变革，传统的模拟示波器已 经远远不能满足研发人员、测试人员的需要。集成化、智能化对测试仪器提出了 更高的要求，笔者所在的实验室就是追寻着这样的需求先后开发了多功能数字示 波器，四通道数字示波器等多款示波器。笔者有幸参与了四通道数字示波器 ( 2 g s p s ) 部分的软件设计。 四通道数字示波器的软件方案就是以嵌入式数字处理器( a d s p b f 5 3 1 ) 为核 心，采用d s p + f p g a 架构，在a d i 公司的v i s u a ld s p + + 平台下进行的示波器软件设计。 本论文是基于该项目的数据采集控制与数据分析的软件设计及其实现。讨论的具 体内容包括： l 、数据采集控制模块。此模块讨论了数据采集，抽点插值等示波器前端的数 据处理，并讨论示波器的触发功能以及和触发相关的一些概念，并在最后介绍了 四种数据获取模式。 2 、数据分析模块。在此模块中，参数测量模块实现了基本参数和定制参数的 测量；光标功能实现了时间类，幅度类以及跟踪光标。 3 、存储控制模块。此模块对比了两种存储方案，给出了一种合理的方案，以 便可以存储和回调可变大小的波形或设置数据。并且详细的讨论了两种波形数据 压缩算法，实现了对大容量数据的处理。 本软件系统采用了模块化编程的方式，将负责不同功能的程序尽量分解到不 同的文件中，并且将同类的全局性参数进行结构体封装，使程序便于维护。 关键词：四通道，数字存储示波器，采样，触发，参数测量，存储 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e no u rs o c i e t yb e i n gi nt h et w e n t y f i r s tc e n t u r y ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a v e b e i n gd e v e l o p e da ta nu n p r e c e d e n t e dr a t e e s p e c i a l l yt h ei tv o c a t i o nd e v e l o p m e n t c a t c h e so u re y e t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g yc a l ln o tb es e p a r a t e df r o mt h e c h a n g i n go fm e a n st e s t t r a d i t i o n a la n a l o go s c i l l o s c o p eh a sb e e nf a rf r o me n o u g hm e e t t h er e q u i r eo fr&d p e r s o na n dt e s tp e r s o n ，i n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n tf o rah i g h e rd e m a n d t o t h et e s t i n ge q u i p m e n t ，t h ea u t h o r sl a b o r a t o r yp u r s u e st h ed e m a n dd e v e l o pt h em s oa n d t h ef o u r c h a n n e ld s oa n ds oo n t h ea u t h o rh a dt h ep r i v i l e g et op a r t i c i p a t ei nt h ep a r t s o f t w a r ed e s i g no ff o u r c h a n n e ld s o ( 2 g s p s ) t h es o f t w a r ed e s i g nb a s e so nt h ec o r eo fe m b e d d e dd i g i t a lp r o c e s s o r ( a d s p b f 5 31 ) ，u s e st h ef r a m e w o r ko fd s pa n df p g a ，a n di sp r o c e s s e du n d e rt h e v i s u a ld s p + + p l a t f o r mo fa d ic o m p a n y t h i sp a p e ri st h es o f t w a r ed e s i g no f f o u r - c h a n n e ld s ow h i c hf o c u s e so nd a t aa c q u i s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n g s y s t e m 乃em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1s t d a t aa c q u i s i t i o nc o n t r o lm o d u l e t h i sm o d u l ed i s c u s s e dt h ed a t ac o l l e c t i o n ， e x t r a c tp o i n ta n di n s e r tp o i n to ft h ef r o n to s c i l i o s c o p e sd a t a - p r o c e s s i n g a n dd i s c u s st h e s c o p eo ft h et r i g g e ra n dt r i g g e rf u n c t i o n s ，a n ds o m eo ft h ec o n c e p t sr e l a t e d i nt h el a s t i n t r o d u c e sf o u rd a t aa c q u i s i t i o nm o d e s 2 n d d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e a l lp a r a m e t e r sa n dc o s t u m e dp a r a m e t e r sm e a s u r e m e r i ta r ei m p l e m e n t e di nt h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tm o d u l e t i m e ，b r e a d t ha n da u t o c u r s o ra r ei m p l e m e n t e di nt h ec u r s o rm o d u l e 3 r d s t o r ec o n t r o lm o d u l e t h i sm o d u l ep r o g r a mc o m p a r i s o no ft h et w os t o r a g e s c h e m e s ，i no r d e rt os t o r ea n dc a l l b a c kt h ev a r i a b l e s i z e ds e to fd a t aw a v e f o r i l l s ，g i v e sa r e a s o n a b l es c h e m e a n dd e t a i l e dd i s c u s s i o n so ft h et w ow a v e f o l l 1 1 1d a t ac o m p r e s s i o n a l g o r i t h m s ，i m p l e m e n t a t i o no fl a r g e c a p a c i t yd a t ap r o c e s s i n g m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o di su s e di nt h ed s os o f t w a r ed e s i g n o b j e c t o r i e n t e dm e t h o di su s e di nt h ew h o l es o t t w a r ep r o g r a mw h i c hm a k e sd a t a e n c a p s u l a t i o nm u c hs a f e ra n ds o f t w a r ei n h e r i t i n gw e l la n da l s om a k e st h es o f t w a r e t t a b s t r a c t m a i n t a i n i n gm u c h m o r ec o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：f o u r - c h a n n e l ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，t r i g g e r ， p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，s t o r a g e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特j 弓l j j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：谁数嘲年多月叫日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：隘垫丝- 邑r 3 - 师签名：盈是盐 日期：矽7 年月y 日 第一章前言 1 1 数字存储示波器概述 第一章前言 示波器是电子测量中一种最为常见的测量设备，它是一种用于观察、测量、 分析、记录各种瞬时的物理现象并可以用图形方式显示其与时间之间的关系的电 子仪器。示波器直观的显示有助于对被测对象的深入理解，也有助于人们对客观 现象，客观规律的把握，它有着比万用表更为广泛的用途，所以得到了广泛的应 用【1 1 。 典型的示波器是产生一个二维的图形，输入端接收的电压绘制在y 轴方向上， 而时间则绘制在x 轴方向上，在屏幕上的一条亮的轨迹来显示这个图形，用于建 立一个波形来描述某些变量随着时间的瞬时变化【l 】。 示波器大多数是用在瞬时电压信号的直接测量中这种瞬时电压信号主要产生 于一些电子设备，例如计算机、自动控制器、电话、无线电、电视、供电设备等。 在那些运用快速变换电信号、脉冲或声波束来实现功能的设备中，示波器能测试 很多关键性能参数，如信号定时关系、持续时间、时序、上升和下降时间、传播 延迟、振幅等i l j 。 数字存储示波器( d s o ) 是上世纪7 0 年代初发展起来的一种新型示波器。 它将捕获到的波形通过a d 转换数字化，而后存储下来，可以方便的实现对模拟 信号进行长期存储并利用机内微处理器对存储的信号作进一步的处理，这样就可 以获得所需的各种信号参数，从而对被测信号进行实时、瞬时的分析，有助于对 被测对象的深入理解。 1 2 国内外数字存储示波器的发展情况 目前，在国外，数字存储示波器的主要生产厂商有泰克公司、安捷伦公司以 及力科公司，他们都是美国的企业，他们制作数字示波器已经有近几十年的历史 了，在无论是数字存储示波器，模拟示波器还是数字荧光示波器( d p 0 ) ，都处于 龙头的位置，世界各国，包括中国在内，都是紧跟其后，沿着他们的发展道路进 行前进。 电子科技大学硕士学位论文 其中美国的泰克公司的示波器一直位于行业的领先地位，被世界公认为是示 波器的权威。他从上世纪六十年代初就开始制作d s o ，九十年代开始制作d p o ， 现在已经远远领先于其它厂家，他们生产的示波器，稳定性能很好，可以在极其 恶劣的环境下进行。泰克曾经宣称“如果测出的信号不稳定，那不是我们示波器 的问题，而是你们输入信号的问题”，这一论调也被业内人士认可。泰克公司拥有 自己的专用的集成电路设计和生产部门。他对示波器的前端模拟电路部分进行了 不断的改进，使得“模拟输入，数字输出”成为现代测量仪器的基本结构，沟通 模拟和数字的桥梁就是模数转换器( a d c ) ，依靠着a d c 的不断提升，采样率从 原来的2 g s p s 到现在的2 0 g s p s ，使得示波器的带宽达到了1 6 g h z 的至高水准p j 。 安捷伦作为测量仪器行业的巨头，也拥有自己的研发实验室和半导体制造部 门，比泰克有着优越的条件。从惠普分出来后，有着得天独厚的先决条件，借助 于惠普原有强大的研发团队，生产了一代又一代的优秀示波器产品，产品也日趋 多样化，安捷伦最煽情的是微波技术以及高频半导体技术。目前安捷伦已经完全 掌握2 0 g s p s 实时采样以及超过1 2g h z 模拟带宽的技术1 7 。 力科公司在示波器方面在世界排行第三仅次于泰克和安捷伦，排行第三，它 独有的存储管理系统，与先进的峰值检测电路相配合，使得整个波形可以在单一 屏幕上显示，即可以实时的找出异常如毛刺的所在，确保在任何扫描时基下工作， 都能保持它最高采样率【7 j 。 在示波器领域与国外巨头的竞争中，中国民族企业已取得非常大的进步。北 京普源精电作为中国仪器界崛起的生力军。江苏绿扬集团已经拥有了带宽从6 0 m h z 到1 0 0m h z 的一系列产品。另外，中电4 1 所，香港的优利德公司也有较完 整的产品系列。由于国内的数字存储示波器生产厂家起步较晚，前端的模拟通道 部分都是用依靠分立的元件搭建。并且由于分立元件本身所固有的缺陷，很难做 到高采样率，高带宽。综上所述，不论是从品牌上，技术上，还是人才上都与国 外示波器生产巨头之间存在着巨大差距【8 】。 1 3 四通道数字存储示波器的主要性能指标 本课题设计的四通道数字存储示波器，采用四通道，单通道2 0 0 m h z 的带宽， 最大存储深度为8 k 。主要技术指标和主要功能要求如下所示： 主要技术指标如表1 1 所示： 2 第一章前言 表1 1 四通道数字存储示波器主要性能指标 指标名称 指标详细情况 带宽为2 0 0 m h z ： 垂直分辨率是8 位； 扫描范围 2 n s d i v 到5 0 s d i v ； 垂直灵敏度范围2 m v d i v 到5 v d i v ( 步进是1 2 5 ) ； 最大输入电压为4 0 0 v ； 输入阻抗为1 m q ； 上升下降时间小于等于1 7 5 n s ； 最高采样率 单通道2 g s p s 、双通道1 g s p s 、四通道时同时开启时每个通道的 采样率是1 g s p s ； 存储深度最高采样率下的最大深度存储深度：每通道不小于6 k 字节； 最大实时采样速率 为2 g h z ( 单通道) ，最高水平分辨率为l o o p s 。 主要功能要求如表1 - 2 所示： 表1 2 四通道数字存储示波器主要功能 功能名称功能描述 显示方式 有一般的基于v t 的显示方式，也有用于观察李萨茹图形的x y 显示方式，并且用户可以手动调节栅栏和波形的亮度。波形的显 示方式还有展宽模式和双时基模式。 光标测量功能用光标测量幅度类和时间类参数，有跟踪和独立两种方式。 存储设置调出功能用户可以将波形或设置存储起来到外部存储器中；并且可以将已 经存储的波形或设置回调出来，这里的存储介质包括f l a s h 和更 为方便的u s b 优盘。 数学功能 可以对现有的信号进行数学处理，比如加减乘除，f f t 等运算， 还有反相功能； 参数测量功能示波器可以对输入信号进行特征参数的测量，包括时间类的周 期，频率，上升时间等，也包括幅度类的峰峰值，幅值，还有高 级参数如面积等。 自动量程和时基对任何一种未知的输入信号，用户只要按下示波器面板上的 “a u t o s e t ”键，波形便会以合适的周期和幅度显示在屏幕上， 智能化操作。 3 电子科技大学硕士学位论文 触发特性触发方式有自动，正常和单次三种模式，也有边沿，脉宽，视频 等多达5 种的触发方式。本设计还具有预触发功能。 采样方式有正常采样、平均、包络和峰值检测四种数据获取方式；峰值检 测有利于捕获毛刺异常等，平均模式主要用于滤除叠加在输入信 号上的高斯自噪声。 屏幕分辨率2 4 0 点3 2 0 点，纵向8 格2 5 点，横向1 2 格2 5 点。 其它功能通过失败测试，双时基，波形录制等功能。 1 4 本论文设计任务 本文的主要内容是对四通道数字存储示波器的部分软件模块进行设计，这些 模块如下： 数据采集模块：根据当前的时基档位设置相应的硬件和软件抽点数，预触发 以及触发点的软件确定。并给出了各种数据获取模式的软件实现方式。 数据分析模块：对采集到的数据进行处理，以增加示波器的功能，实现了多 达2 7 项参数的测量功能，还有用户便于观察测量的工具：光标的实现。 数据存储模块：对用户感兴趣的波形或设置，加以存储，讨论了固定大小和 可变大小存储的两种方案，还给出了数据压缩的两种方案。 在本文的第二章，给出了本设计的总体设计方案，包括硬件方案和软件方案， 在硬件方案中介绍了硬件总体框图，还有本设计的主要d s p 芯片b f 5 3 1 的主要寄 存器，还有本设计的软件流程图。在最后给出了d s p 的编译环境v i s u a ld s p + + 的 简介。 1 5 本章小结 本章首先介绍了数字存储示波器的原理，接着讨论了数字示波器在国内外的 发展状况，明白了国内产品处于什么地位。在其后又给出了本设计的主要技术指 标和主要功能要求，并在最后提出了笔者的设计任务，笔者就是按照这个顺序进 行书写论文的。 4 第二章四通道数字存储示波器总体设计 第二章四通道数字存储示波器总体设计 2 1 硬件系统的总体设计 本系统硬件设计是以模数转换器( a d ) 、f p g a 和数字处理器( d s p ) 为核心， 辅助键盘，s d r a m ，f l a s h 等。a d 是数据采集系统的最关键部件之一，它是数 据处理的第一步，将模拟信号进行数字量化，它决定了示波器系统的采样率、带 宽等重要指标。可以说a d 的好坏对示波器的性能来说，至关重要。f p g a 的可编 程特点和d s p 的强大数据处理能力的完美结合，从而完成了数据的采集、控制、 处理、显示，存储等多项功能。硬件系统框图如图2 1 所示。 信号 一控制命令匿函爹数据线 = 今地址线 图2 - 1 硬件系统框图 2 1 1d s p 芯片b l a c k f m5 3 1 b l a c k f i n 系列d s p 是a d i 公司与i n t e l 联合推出的高性能，低功耗的首款第 四代定点d s p 产品，融合了a n a l o gd e v i c e s i n t e l 的微信号结构( m s a ) ，它将一个3 2 位r i s c 型指令集和双1 6 位乘法累j n ( m a c ) 信号处理功能与通用型微控制器所 具有的易用性结合在一起。 这样的结合合使得b l a c k f m 处理器能够在信号处理和控制处理应用中都发 5 电子科技大学硕士学位论文 挥最佳的作用，并且也简化了硬件和软件设计。 本开发系统中使用b l a c k f i n 5 3 1 芯片，b f 5 3 1 处理器是b l a c k f m 系列产品中的 一员，b f 5 3 l 主频高达4 0 0 m h z ，峰值处理能力为1 2g m i p s 。b f 5 3 1 内核包括： 2 个1 6 位m a c ，2 个4 0 位a l u 和4 个8 位视频a l u ，以及1 个4 0 位移位器， 并配有高达1 4 8 k b y t e s 片内存储器和两个存储器d m a 控制器；系统外设包括一个 u a r t 口、1 个s p i 口、2 个串行口、4 个通用定时器( 其中3 个具有p w m 功能) 、 1 个实时时钟、看门狗定时器，以及1 个并行外设接口。外部存储器控制器可与 s d r a m 、s r a m 、f l a s h 和r o m 等进行无缝连接【5 儿6 j 。 a d s p b f 5 3 1 处理器采用高度集成的片上系统解决方案。该处理器自推出以 来已广泛应用于各种实时嵌入式系统中。 2 1 2 系统存储空间分配 示波器软件功能的实现和硬件的选型密切相关，因此系统的内存空间和i o 的 分配就尤为重要瞵j 。 a d s p b f 5 3 1 2 3 处理器把存储器视为一个统一的4 g b y t e s 的地址空间，使用 3 2 位地址线。所有的资源，包括内部存储器、外部存储器、i o 控制寄存器，都 占据了公共地址空间的各自独立的部分。此地址空间的各部分存储器按分级结构 进行排列，以提供高的性价比。一些非常快速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或 s r a m ) 的位置很接近处理器，而更大的低成本、低性能的存储器均远离处理器。 b f 5 3 1 内外部存储器图如下2 2 所示【5 j 。 c o r e - _ r e m s t e r sb r s y 3 t e i a m m r r e g i s t e r s ( 2 m b y t e ) n r i s e r e d 9 c r a t ( ：h p a i d 剖u k b y t e ) - w e 口 i s r f n ) c t i o n 爿u 眦 c h e ( 1 6 k8 v r e ) 目* h m m s t m 1 t y r i o s f i & m 1 6 k b r t 日 r e 睡r v 日口 r 陛f i r e d r y e d r e s e r v d a t a b a n k 鼎鼍= c 炬a k b y r 日 m ， r e s e r v e d o _ a s y i q c m e m o r y b a n k ( 1 m m r r l 譬 a i i w c 柚e u o r yb a n k 2 ( 1 mb y t 自 &syncm e m o r y “氍1 几mm 日 a s v n c 睢m o 吖e 啊( f i m b y t e ) e r 日 s o f l a m m l b 1 m t 0 1 吖吗j 图2 - 2 b f 5 3 1 存储器图 6 第二章四通道数字存储示波器总体设计 、片内存储器 a d s p b f 5 3 1 2 3 处理器有3 个片内存储器，提供到内核的高速带宽的访问。 第1 块是l 1 指令存储器，由高达8 0 k b y t e s 的s r a m 组成，其中有1 6 k b y t e s 可以配置为1 个4 路连和的c a c h e 。l 1 指令存储器使得处理器的最快速度访问。 第2 块片内存储器是l 1 ，包括2 个3 2 k b y t e s 的b a n k 。每个b a n k 都可配置 c a c h e 或s r a m 。此存储器也以用于全速访问。第3 块是1 个4 k b y t e s 的临时 数据s r a m ，它和l 1 存储器具有相同的速度，但是只能作为数据s r a m ，不能配 置c a c h e t 引。 、片外存储器 外部总线接口单元即可以用于异步设备，也可以用于同步设备( 例如： s d r a m ) 。它们的总线宽度为1 6 位，其中a 1 是1 6 位的最低位。8 位的外围设 备必须像1 6 位的设备一样需要分配1 6 位的地址，但只使用低8 位数据【5 j 。 与p c i 3 3 兼容的s d r a m 控制器可以通过编程与1 2 8 m b y t e s 的s d r a m 接 口。内部最高可以配有4 个s d r a mb a n k s ，s d r a m 控制器允许为内部s d r a m 的每个b a n k s 同时打开1 个通道，提高了系统的性能。异步存储器的控制器也能够 通过编程控制4 个b a n k 的时序灵活的各种异步存储设备。无论使用设备的大小 如何，每个b a n k 的空间都占据1 m b y t e 空间。这样，只有装满4 个1 m b y t e 的存 储器，地址空间才能达到连续【5 j 。 i o 存储器空间 b l a c k f m 处理器并没有定义独立的i o 地址空间。所有的资源都被统一映射 到的1 个3 2 位地址空间。片上i o 设备的控制寄存器被映射到4 g b y t e 地址空间 顶端的存储器映射寄存器地址范围内。这个地址空间又被划分成两部分，一部分 是包含完成所有内核功能的控制m m r ，另一部分是包含用于设置和控制内核以外 的片内外设的寄存器。 在本设计的软件中，将1 6 m b y t e 的s d r a m 映射到d s p 从0 x 0 0 0 00 0 0 0 开始 到0 x 0 1 0 00 0 0 0 的地址空间。而从0 x 2 0 0 00 0 0 0 开始的4 m 划分为异步存储空间， 共将其分为三部分：b a n k 0 映射为f l a s h 的存储空间，b a n k l 映射为显示s r a m 的存储空间，而b a n k 2 映射为i o 地址空间。 本设计中的f l a s h 为4 m b y t e 大小，而只有1 m 的映射地址空间，所以将f l a s h 的高位地址线连接到f p g a 中，通过扩展两个引脚作为f l a s h 高位地址线，这样就 解决了4 m b y t e 大小的f l a s h 的内存映射难题。 本示波器软件存储空间的分配如表2 1 所示： 7 电子科技大学硕士学位论文 表2 1 系统存储空间分配表 片内片内地址空间 存储 o x f f a o8 0 0 0 o x f f a 0b f f f l 1 指令存储器 区 o x f f a l0 0 0 0 o x f i 认0f f f f l 1 指令存储器可用作c a c h e 0 x f f 8 04 0 0 0 o x f f 8 07 f f f l 1 数据存储器可用作c a c h e o x f f b oo 0 0 0 0 x f f b oo f f f 临时数据s r h m o x f f c 0o 0 0 0 o x f f d ff f f f 系统删r 寄存器 o x f f e o0 0 0 0 o x f f f ff f f f 内核e d r 寄存器 片外异步存储区 存储 b a n k o o x 2 0 0 00 0 0 0 0 x 2 0 0 ff f f ff l a s h 区 s e c t o r1 - s e c t o r 6 初始化代码，u s bu p d a t e 代码等 s e c t o r 7 - s e c t o r 2 0 字库，厂家设置等 s e c t o r 2 0 s e c t c i r 3 2 应用程序 s e c t o r 3 3 s e c t o r 3 4 启动界面 s e c t o r3 5 s e c t o r 4 6 波形设置和波形数据 b 肘lo x 2 0 1 00 0 0 0 o ) 【2 0 1 ff f f f 显示s r a m b a n k 20 x 2 0 2 00 0 0 0 一) x 2 0 2 ff f f fi o 空间 o x 2 0 2 00 0 1 2 h c 5 7 4 高位输入 0 x 2 0 2 0 0 0 1 4 h c 5 7 4 低位输入 o x 2 0 2 0 0 0 1 6 d a d i n l o ) 【2 0 2 00 0 1 8 d a d i n 2 o x 2 0 2 00 0 4 e 1 2 c 数据输入 o x 2 0 2 0 0 0 6 4 u s b 内部f i f o b a n k 30 x 2 0 3 00 0 0 0 - - o x 2 0 3 f f f f 保留 同步存储区 0 x 0 0 f 0 0 0 0 0菜单存储页 0 ) 0 f o9 6 0 0波形存储页 0 x 0 0 d 00 0 0 0波形1 缓存 0 x 0 0 d fb 0 0 0 波形1 采样点存储 0 x 0 0 d fc 0 0 0波形1 采样点存储 8 第二章四通道数字存储示波器总体设计 2 2 软件系统的设计 2 2 1 软件系统的模块划分 本设计的数字示波器的软件分为：系统配置模块，垂直模块，水平模块，采 集模块，运行模式模块，菜单模块，显示模块，光标模块，参数测量模块，存储 模块，u s b 模块，自动设置和自校正模块，错误信息提示模块，帮助模块等。下 面分别介绍这些模块。 系统配置模块：此模块主要是初始化s d r a m ，配置内核时钟寄存器，p p i 寄 存器，u a r t 串口( 键盘) ，中断，初始化a d 和d a ，r t c 和频率计等； 垂直模块：此模块主要处理和垂直通道相关的信息，这里的垂直通道也包括 数学运算通道，r e f 通道，比如初始化各通道，获取垂直偏转电压，获取垂直位 移电压( 相对于零电平) ，调整垂直偏转系数等，以及显示和垂直通道相关的信息， 比如某通道的电压值，某数学运算得到的结果。其中各种触发方式的实现也是在 此模块中 水平模块：此模块主要处理和水平通道相关的信息，比如获取逻辑水平偏转 时基，设置主从时基采样( 双时基) ，展宽方式下的显示，调整数学运算r e f 运算 的水平时基以及水平状态的显示，比如：显示时基档位，时基信息等。 采集模块：此模块主要处理和采集相关的信息，比如初始化采集系统，初始 化f i f o ，读f i f o ，在5 0 0 m s p s ，1 g s p s 和2 g s p s 下从f i f o 中读数方式，抽点插 值算法，以及各种采样方式的实现，比如平均采样模式，包络采样模式。还有采 集状态的显示，通过失败测试等。 运行模式模块：此模块主要给出了波形显示的方式，如点显示，矢量显示的 算法，余辉显示，x y 模式，还有双时基和展宽方式下的显示。 菜单模块：此模块主要负责示波器的各种样式的菜单显示，包括一级菜单， 二级菜单，特殊菜单的显示等。 显示模块：此模块给出了各种风格下菜单，每个通道下波形显示颜色等，还 有图形显示，比如画点画线画矩形，画进度条以及字符，文本，图标显示，这些 都是显示底层的函数。其它模块中的显示需要调用此模块中的这些函数，还有就 是给出了示波器常用的三种风格，有传统，经典，现代，每一个风格都有独立的 9 电子科技大学硕士学位论文 菜单显示颜色，不同通道波形颜色等设定。 光标模块：此模块给出了光标功能的实现，诸如画和移动时间光标，电压光 标。还有在跟踪模式显示和移动光标。 参数测量模块：此模块包括了多达2 7 个参数的测量算法，并配有指示图，这 些参数有时间类，幅度类，也有高级参数是结合了时间和幅度的。包括定制参数 和全部参数。用户可以只选择某一个比较感兴趣的参数进行长期测量，高级参数 是比较特殊的，本设计是和基本参数区分开来进行测量的，比如上升时间，需要 选择不同的通道。 存储模块：此模块解决了波形和设置的存储和回调，波形和设置主要存储在 f l a s h 中，还有厂家设置，清除存储信息，系统信息等。在此模块中也把字库，语 言，开机画面等也存储在f l a s h 中。 u s b 模块：此模块包括u s b d e v i c e 和u s b h o s t ，u s b h o s t 是把示波器当主机，把 示波器中的波形存储在外置的优盘中，u s b d e v i e e 是把示波器当u s b 设备，电脑当 主机，示波器和电脑按照u s b 传输方式进行数据通信。 自动设置和自校正模块：自动设置就是根据当前输入的信号，配置合理的幅 度和时基档位值，使之能稳定的显示在示波器中，调整增益，采集，触发等。自 校正就是自动校准档位值，增益等。 错误信息提示模块：此模块是给出了错误信息提示的统一方式和错误的类型 分类，在其它的各个模块中，出现异常，直接调用发送显示错误信息即可，也可 以给用户显示提示信息，比如旋钮旋到极限，在某某情况下不能使用某项功能了 等等。 帮助模块：此模块给出了示波器各个按键，菜单的帮助信息，当用户对某一 个菜单或按键不熟悉的时候，就可以借助于帮助信息。 又把参数测量和光标以及数学运算模块统称为数据分析模块。 本人主要负责采集触发模块，运行模式模块，光标模块，测量模块，存储模 块和自动设置模块等。 2 2 2 软件总体流程设计 数字示波器整个系统软件系统主要包括系统初始化处理，键盘处理，数据采 集控制模块，数据分析模块，数据存储模块以及波形显示模块等。整体软件的设 计流程图如图2 3 所示。 1 0 第二章四通道数字存储示波器总体设计 系统初始化 争一 i 键盘中断h 按键响应处理 山 波形数据采集处理 上 数据分析处理 j 各状态及消息显示 上 菜单显示 1 l 显存切换处理l _ 图2 - 3 系统整体软件设计流程图 示波器在开机后首先判断是否插入优盘，如果插入优盘，提示用户是否需要 u p d a t e ，如果需要，就进行升级，否则，提示用户拔出优盘后，重新开机。 接着读取事先烧写在f l a s h 中的启动代码，把它加载到d s p 中，然后进入示波 器的初始化阶段，初始化主要是对存储区，器件以及寄存器的初始化，使之处于 正常工作模式下，初始化有d s p 中的各个寄存器，s d r a m ，时钟信号，f l a s h 中 的存储映射表，1 2 c 等，还有从1 2 c 中读取上次关机前的状态，随后进入循环状态。 人机接口采用键盘，通过键盘中断和消息处理来实现的。当用户进行键盘操 作，这时示波器就产生中断，中断服务程序就会将键码传保存，d s p 判断到键盘 中断后，更新当前键码并查询是否有新键码，若有则进入键码处理程序，对示波 器进行相应设置的改变。比如重新获取硬件抽点数和软件抽点数。然后依据示波 器的设置进入数据采集和数据分析处理阶段，包括参数测量，数学运算，光标， 通过失败测试等。最后将处理好的波形数据存入显示缓冲区显示。这就完成了一 次波形的现实。本论文就是按照上述顺序，对数据采集模块，数据分析模块和数 据存储模块作了详细阐述。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 软件开发环境介绍 v i s u a ld s p + + 是a d i 公司针对其公司公司的d s p 器件而专门开发的一种开发 平台，它支持a d i 公司所有系列的d s p 处理器，包括b l a c k f m 系列和a d s p 2 1 x x 系列定点处理器、s h a r c 系列以及t i g e r s h a r c 系列的浮点处理器的各种型号处 理器。 v i s u a ld s p + + 通过图像窗口的方式与用户进行信息交换。v i s u a l d s p + + 采用直 观的、易于使用的用户界面，针对处理器进行操作。v i s u a l d s p + + 集成了两大部分： 集成的开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，d e ) 和调试器( d e b u g g e r ) ， 称为i d d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n ge n v i r o n m e n t ) ，提供了更强大的程 序开发和调试功能。v i s u a l d s p + + 具有灵活的管理体系，为处理器应用程序和项目 的开发提供了一整套工具。v i s u a l d s p + + 包含生成和管理处理器项目必须的所有工 具。 本设计使用的a d s p b f 5 31 处理器开发工具，包括v i s u a ld s p + + 开发环境和 仿真器。其主要结构包括： 、带实时运行库的c c + + 优化编译器； 、集成了v i s u a ld s p + + 内核的集成编译和调试环境( i d d e ) ； 、仿真软件和程序例程； 、汇编器和链接器。 使用v i s u a ld s p 抖开发环境，开发人员可以对程序进行编辑、编译链接，仿 真调试等操作。v i s u a ld s p + + 简化了源文件的操作任务，可以非常容易地实现创建、 查看、打印、移动和信息定位等相关文件操作。编译器可以完整地将c c + + 源代 码转换为b l a c k f i n 处理器可以处理的汇编代码。v i s u a ld s p + + 调试器有多个重要 的特性，其灵活的绘图功能使得显示波形数据更加清楚，这种用图形表示波形的 方式，有助于编程者快速的判定算法的优劣性，使软件开发者在不用中断程序的 情况下，就可以得到重要代码的执行情况，大大简化了软件开发周期。 2 4 本章小结 本章介绍了系统硬件平台，给出了总体设计流程和系统关键资源分配，讲述 了系统软件模块划分以及对软件的开发环境作了简单介绍。 1 2 第三章四通道数字示波器采集触发模块设计 第三章四通道数字示波器采集触发模块设计 d s p 通过控制f p g a ，进而相当于控制了采样率( 硬件抽点) ，并从f p g a 中获取数据( 从f i f o 中读数) 的过程为数据采集。而采集进来的数据需要进行处 理( 软件抽点，插值等) 才能拿去显示，把这一处理过程称为数据处理。采集进 来的数据经过硬件抽点后首先放在o r i g i n b u f f e r 中，再经过软件抽点放在 d i s p b u f f e r 和z o o m b u f f e r 中，它们是将来用于显示的数据区。 3 1 采集控制模块 当软件系统对f p g a 发起采集后，f p g a 将根据d s p 传下来的当前时基信息 值设置相应的采样率。采样数据经过f p g a 里面的触发电路控制、f i f o 存储等一 系列操作后被送入d s p 进行处理瑙j 。 根据奈奎斯特原理，采样频率必须至少为被测信号频率的两倍才能重建原信 号。而在现实中，高速数字电路中的快速的边沿信号包含有在它们基本频率以上 的重要的谐波信息。数字示波器若带宽不足，显示波形高频分量便减少，脉冲沿 变缓，高频信号幅度减少，显示波形失真甚至混叠。更新速率低的数字示波器， 不仅对瞬态或毛刺信号往往无法捕获，而且当输入信号和它的位移、电平调节改 变时不能立即显示，给使用带来很大的不便。 而实际被测信号通常会含有高频分量，为了避免发生频率混叠，一般用1 0 倍 于信号带宽的采样速率进行取样。 对数字示波器而言，除了要求有高的是实时采样率外，还要求有较高的波形 分析细节，数字化示波器又规定了十分重要的指标有效存储带宽( u s a b l es t o r e b a n k w i d t h ) ，它的定义为1 4 j ： u s b = 最高实时采样率 非k 鼍襟跞 公式( 3 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 3 1 1 时基 时基就是在示波器上显示波形的时域度量基准，通常是示波器上一大格波形 所占据的时间，本设计的示波器一大格有5 小格，每个小格又有5 个像素，也就 是说时基就是示波器上2 5 个像素所占的时间。通过时基信息可以得出当前的采样 率，这个采样率是相对采样率，就是首先假设示波器没有在f p g a 中经过硬件抽 点处理和没有在d s p 中经过软件抽点处理，把采集到的数据拿去显示所需要的那 个采样率值。于是得到了如下的经验公式： ， c c = 竺公式( 3 - 2 ) 。 b 其中疋为相对采样率，b 为当前时基，2 5 表示一大格有2 5 个像素点。 3 1 2 运行态数据采集处理 本设计使用的a d 芯片是a t 8 4 a d 0 0 1 ，一片的采样率是1 g s p s ，两片拼合， 单通道就是2 g s p s ，双通道时是1g s p s ，四通道是1 g s p s ，示波器是在最高采样率 下全速采集。现在讨论单通道的情况，其余类似。由公式3 2 可知，最高采样率下 的时基是1 2 g 2 5 = 1 2 5 n s ，当时基大于1 2 5 n s 的时候，采集到的点就比实际需要 的多，就要筛选，由于f i f o 容量的限制，先进行初步的筛选，这里称硬件抽点， 直到f i f o 可以存下，由于本款示波器的显示波形是3 0 0 个点，就需要对f i f o 中 的数据进行再次筛选，筛选到3 0 0 个点为止，再拿去显示。在软件设计中硬件抽 点得到的数从f i f o 中读出放在o r i g i n b u f f e r 数据区中，软件抽点得到的数据就放 在d i s p b u f f e r 和z o o m b u f f e r