（通信与信息系统专业论文）数字示波表控制电路及gui的设计与实现.pdf

摘要 摘要 便携式数字存储示波表( d s o ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 是传统电子测量 仪器模拟示波器功能的延伸和发展，它充分利用了当今集成电路所具有的高集成 度、超低功耗等优点，而且也满足了人们对电子仪器设备的便携性需求。 本文介绍一种基于s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术的嵌入式系 统作为数字存储示波表的解决方案。在实现中，采用a l t e r a 公司内嵌n i o s 处 理器的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 芯片，结合外部的模拟通道电路和 l c d 显示器共同构成数字存储示波表的硬件系统。以n i o s 处理器作为系统的数 据处理中心，并在f p g a 中实现数字存储示波表的外围控制电路，包括键盘扫描 控制、频率周期测量、l c d 驱动、高速f i f o 控制、参数传送、显示缓冲、a d 采 样控制等模块。 运行于n i o s 处理器之上的应用软件采用c 语言编写，并引入嵌入式实眨操 作系统i z c o si i ，以使其能够实时响应各种操作指令。该系统采用了3 2 0 x 2 4 0 点阵 的l c d 显示器，配合4 x 5 矩阵键盘以及图形用户界面( g u i ：g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ) 软件，很好地实现人机交互。 外围控制电路是数字存储示波表硬件实现的主要部分，而g u l 是用户与系统 之间唯一的交互途径，也是软件设计的重点，这两部分便是本论文所要重点讨论 的内容。本论文首先对数字存储示波表系统的实现方案进行总体性的概述，并对 相关的概念和原理进行简要的阐述：然后分别对各个控制电路模块的设计和g u i 的实现等做了较为详细的讨论：最后对在项目中遇到的问题以及对软硬件系统的 各种仿真、测试方法等进行了说明。 数字存储示波表是一个需要软硬件协同工作的嵌入式系统，通过对各个数字 电路模块的仿真、验证以及对部分软件的测试，基本上达到了设计要求。这说明 本论文所采用的方案很好地实现了所预期的各种性能指标：双通道、单次模拟带 宽1 0 m h z 、实时采样率1 0 0 m h z 、存储深度4 k 、频率测量、峰峰值测量等。 关键词：数字存储示波表，f p g a ，图形用户界面，n i o s ，s o p c a b s t r a c t a b s t r a c t p o r t a b l ed s o ( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) i st h ee x t e n s i o na n dd e v e l o p m e n to f t h ec o n v e n t i o n a lo s c i l l o s c o p e t h e ya r em o r ei n t e g r a t i v e ，m o r ep o w e r f u la n dl e s sp o w e r c o n s u m p t i o n ，a sw e l la st h e i rp o r t a b i l i t ym e e t st h ed e m a n do ft h ee l e c t r o n i ci n s t r u m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a st h es o l u t i o no ft h ed s o ，a ne m b e d d e ds y s t e mi si n t r o d u c e d ， w h i c hi sb a s e do i ls o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g y i nt h i sp r o j e c t ， o n ef p g ac h i pc a l l e dc y c l o n ei s a d o p t e d ，w h i c hi n c l u d i n gam i c r o p r o c e s s o rc a l l e d n i o s ，a st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t o g e t h e rw i t ht h eo u t e ra n a l o gc o n t r o l l i n gc i r c u i t s a n dl c dd i s p l a y i n gm o d u l e ，t h e ym a k eu po ft h eh a r d w a r es y s t e m u p o nt h en i o s p r o c e s s o r , t h es o f t w a r ei sw r i t t e ni ncl a n g u a g e ，a n di n c l u d e s l e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m # c o s1 1 t h ed s o c a ni n t e r f a c ew i t hu s e ip e r f e c t l y , w h i c hi n c l u d e sal i q u i dc r y s t a l d i s p l a y i n go f3 2 0 x 2 4 0l a t t i c e sa n da 4 x 5m a t r i xk e y b o a r d t h e c o n t r o l l i n gd i g i t a l c i r c u i t si n ：- d e f p g a , a r et h ec o r ep o r t i o n i nt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ed s o ，w h i l et h eg u l ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c 曲i st h eo n l y i n t e r f a c eb e t w e e nt h eu s e ra n dt h ed s o ，t h e ya r eb o t ht h em a i nt o p i co ft h ed i s s e r t a t i o n i nt h ef i r s ts e c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew h o l ei m p l e m e n t a t i o ns o l u t i o no fd s oi s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gs o m et h e o r i e sa n ds o m ec o n c e p t i o n s i nt h es e c o n ds e c t i o n ，t h e d e s i g no ft h ed i g i t a lc k c u i t si n s i d ef p g a i sd i s c u s s e d ，w h i l et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e g u is o f t w a r ei s e x p a t i a t e d a tl a s t t h e r ea r ea uk i n d so fp r o b l e m sa n dt r o u b l e s e n c o u n t e r e di nt h ep r o j e c t ，a sw e l la sa l lk i n d so fs i m u l a t i o n sa n dt e s t so nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ep r e s e n t e d d s oi sa ne m b e d d e ds y s t e mw h i c hb a s e do nt h ec o o p e r a t eo ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，t h i ss o l u t i o nr e a c h e st h ed e s i g n e df u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e ：d o u b l ec h a n n e l s ， b a n d w i d t h1 0 m h z ，s a m p l er a t ei o o m h z ，s t o r a g ed e e p4 k , f r e q u e n c yd e t e c t ，a n ds oo n e l e c t r o n i ci n s t r u m e n t st h a tb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y , f o rt h e ya r es m a l l ，h i g h i n t e g r a t i v e ，a n dl o wc o s t ，w i l lh a v eag o o dp e r s p e c t i v ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，f p g a ，g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，n i o s ，s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p 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，除了文中特别加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： 圣盎查鍪 日期：2 0 0 6 年心月2 r 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： 至整查圣 导师签名：璺肇壁垡 日期：2 0 0 6 年o l - 月2 6 日 第一章引言 第一章引言： 在国民经济的各个领域里，人们经常需要对各种信号、物理量进行精确、快 速地捕捉、测量和分析处理，电子测量手段便成为一种最佳的选择。本章首先介 绍模拟示波器和数字示波器的基本概念，然后就数字示波表的国内外发展状况以 及本论文的主要内容进行阐述。 1 1 模拟示波器与数字示波器 在电子技术广泛应用的今天，对电子产品的测量、调试等需求无所不在，尤 其是在军事、航空航天、科学研究以及医疗器械等领域都提出了更高的要求。传 统的万用表只能检测电压、电阻和二极管通断等静态参数，不具有存储和显示波 形的功能，不能对信号进行实时捕捉、存储和再现，因此已不能满足现代电子测 量领域的最新发展和需求。电子示波器能够将人们无法直接看到的各种信号和物 理量通过传感器变换为电信号，并经过存储、计算等实时处理，从而在屏幕上直 观地显现出来，供人们进行观察和分析。 随着计算机、超大规模集成电路、高速a d 转换器等技术的迅猛发展，电子 示波器已经从最初的模拟示波器发展到现在的数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ，简称d s o ) 。示波器在内部实现原理和电路结构上都已从晶体管发展 到大规模集成电路乃至超大规模集成电路，功能上已从时域分析发展到频域分析。 传统模拟示波器对于非周期单次信号的测量是很难胜任的，但是在现代信号测量 中，像核爆炸、航天遥测、地震监测、地质勘探、数据通信以及科学研究领域， 都需要对大量的单次瞬间信号做出检测、存储和分析，而数字存储示波器就可以 很好地对此类非周期单次信号进行捕捉和测量。数字存储示波器与传统模拟示波 器相比，具有自动测试、实时捕获、多种触发、波形存储与运算等功能，特别是 具有对单次瞬态信号进行捕捉、存储和处理能力的优点i l 】。 1 2 国内外数字示波表的发展状况 现代电子技术的发展日新月异，如今的数字存储示波表产品无论在性能上还 是在功能上已经和传统的模拟示波器不相上下，甚至某些高端示波表在功能和性 能上已经超过了模拟示波器产品。 二十世纪七十年代年美国尼科莱特公司利用模拟数字转换器件( a d c ) 成功 电孚奔授犬擎硕士学位论文 研制出了世界上首台数字存储示波器，为信号数字化、数据存储、信号处理及参 数自动测量开辟了一条新的途径【2 1 。回顾电子仪器的发展过程，从使用的器件来看， 它经历了从真空管时代、晶体管时代到集成电路时代三个阶段；若从仪器的工作 原理来看，它经历了三代：模拟式电子仪器、数字式电子仪器和智能仪器h 。近年 来，数字存储示波表的发展极为迅速，相信随着a d 转换技术和扫描技术的发展， 数字存储示波表完全可能在近期内克服存储带宽较窄、价格较高等缺点而获得新 的飞跃i 。 目前，世界各大公司不断推出自己更高技术含量的产品，例如美国福禄克公 司生产的f 1 9 9 c 系列全彩色数字余辉示波表，就代表了当今数字存储示波表领域 最新的技术水平。除了拥有2 0 0 m h z 的单汐模拟带宽、2 5 g h z 的实时采样率外， 还具有双通道、每通道2 7 5 0 0 点存储深度、趋势绘图无纸记录仪、自动捕获和重 现1 0 0 屏波形数据、自动量程数字万用表等功能和特征。 尽管在国际上数字存储示波表的技术产品已经逐渐成熟，但我国目前在数字 存储示波表领域内还处于起步阶段。在国内的便携式数字存储示波表产m 右场上， 基本上被外国进口品牌所独占和垄断。令人可喜的是目前国内已经有相关的产品 面世，例如国营建华仪器厂生产的w x 4 4 5 1 5 2 5 3 5 4 型手持式数字存储示波表已 经具有初级的测量、诊断功能：双通道、单次模拟带宽2 0 m h z 、最高采样率1 0 0 m h z 、 采样精度8 比特、存储6 组波形和1 0 组参数、多种触发方式等，其价格只有国外 同类产品的四分之一。甘肃庆华仪器厂也已经研制出了数字存储示波表的样机， 现拟建一条年产5 0 0 0 台数字存储示波表的生产线。由此可见，虽然我国在便携式 数字存储示波表产品的研究开发上还处于初级阶段，还没有开发出比较高端、成 熟的产品。但是，在市场经济的驱使下，会有越来越多的人力、物力投入到便携 式数字存储示波表的研究和开发上来。在不久的将来，物美价廉的便携式数字存 储示波表产品的上市将会改变目前国外产品垄断市场的现状。 1 3 本课题研究的实践价值与意义 如同我国当今的汽车工业样，借鉴和模仿国外先进的设计制造技术和经验， 从而发展我国的民族汽车工业，制造出我国的汽车精品。本课题研究的目的是通 过消化和吸收国外主要公司产品的工作原理和实现方案，应用已有的技术和知识 从而开发出具有自主知识产权的便携式数字存储示波表。为丌发高性能数字存储 示波表积累理论和实践经验，从而发展我国电予测量领域的相关技术，逐步缩小 与国外同类产品的差距。 2 第一章引言 同时，便携式数字存储示波表既属于嵌入式系统的范畴，又应用了目前新兴 的s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术。对于前者，很多非通用计算机 系统都采用此方案，例如：手机，打印机，空调，电视机，路由器，电喷发动机， 导弹以及g p s 定位系统等；而对于后者，主要体现在把整个系统集成在单芯片上， 如t i 、m o t o r o l a 所设计的一些高性能芯片等。本课题也将在这些方面做一些 有益的探讨和研究。 1 4 课题来源和论文的主要任务 本课题来源于同企业合作开发的项目：便携式双通道数字存储示波表，属于 横向课题。在进行本论文项目开发研究之前，2 0 0 1 级的项目组成员已经开发出一 个示波表样机的雏形，完成了部分的设计工作，使样机具有部分的功能。该数字 示波表样机采用了d s p + f p g a 的结构，在d s p 上利用软件实现g u i 交互与数据 处理等功能，而f p g a 用来实现外围控制电路。除此之外，该样机还具有单通道、 单次带宽5 m h z 、取样率4 0m h z ，存储深度2 k 等技术指标。在软件实现上，采 用了比较简单的前后台系统。 但是，该数字存储示波表样机d s p + f p g a 的结构使其集成度不高，无论从体 积还是功耗上来说都不能达到令人满意的程度：另外，其各种技术指标也显得比 较落后。a l t e r a 公司的n i o s 处理器的出现，给本论文项目的开发提供了一个新的 突破口。由于在c y c l o n e 系列f p g a 内部可以构建n i o s 处理器系统，所以可 以将处理器系统与外围控制电路共同集成到f p g a 内部，这样就可以将其集成度、 体积和功耗控制在一个合理的范围内。由于减少了器件和引脚的数目，也方便了 电路扳的布局布线。与此同时，对模拟通道电路板进行重新设计，采用更高规格 的器件，使其取样频率达到1 0 0 m h z ，取样精度为1 0 比特，存储深度达到4 k ，单 次模拟带宽达到1 0 m h z 2 0 m h z ，并且设计为双通道处理，可以满足两路信号的 采集和处理。软件系统中，由于引入了多任务实时操作系统，并且为双通道数据 处理，而原来的软件为前后台系统，修改起来成本、代价太高，所以就摈弃了原 来的软件而重新设计新的软件结构、引入实时操作系统并编写软件实现代码。同 样，由于系统结构改变较大，因此f p g a 内部的数字电路模块除保留了少量的实 现思路外，其余的全部重新编写代码和实现。 就本论文来说，简要探讨研究数字存储示波表软、硬件系统的设计和实现， 并以f p g a 数字电路控制模块和图形用户界面、底层驱动软件的实现为讨论重点。 外围控制电路是数字存储示波表硬件实现的核心部分，而g u i 是用户与系统之间 3 电子科技犬擎硕士孥位论文 唯一的交互途径，也是软件设计的重点，这两部分便是本论文所要重点讨论的内 容。本沦文首先对数字存储示波表系统的实现方案进行总体性的概述，并对相关 的概念和原理做了简要的阐述；然后分别对f p g a 数字电路控制模块的设计和图 形用户界面、底层驱动软件的实现等进行较为详细的讨论；最后对在项目中遇到 的问题、解决办法以及对软硬件系统的各种仿真、测试方法等进行说明。 1 5 论文章节安排 第一章：引言。首先就模拟示波器与数字示波器的相关概念作了简要的介绍， 然后说明了数字存储示波表的一些概念和特点以及目前国内外的发展状况，最后 讨论了本课题的实践价值和意义以及本论文的主要任务等。 第二章：数字示波表系统设计概述。本章主要对该课题的实现方案和设计思 路进行概述，并介绍了相关的概念和原理。包括基础理论、软硬件系统实现框架、 f p g a 数字电路模块设计和g u i 、底层驱动软件设计等。 第三章：数字示波表f p g a 模块设计。本章是论文所阐述的重点，主要讨讫 f p g a 数字电路的实现。首先对q u a r t u si i 集成开发环境做了简要介绍，然后对 各个主要模块做了详细的讨论和说明，包括n i o s 系统模块、频率测量模块、液晶 驱动与显示模块、键盘扫描模块、a d c 采样控制模块和参数传送模块等。 第四章：图形用户界面及底层驱动实现。本章也是论文的重点内容之一，主 要讨论部分软件的实现。首先对软件实现的系统框图做了说明，最后对底层驱动 软件、汉字及图形的显示和g u i 实现原理等做了较为详尽的阐述。 第五章：软硬件系统仿真与调试。首先对数字电路以及软硬件系统的仿真与 调试做了阐述，然后对系统稳定性测试做了介绍。 第六章：结论及展望。本章是全文的一个结束，总结了本文所完成的主要任 务，对本论文所存在的问题和不足进行了探讨。 4 第二章数字示波表系统设计概述 第二章数字示波表系统设计 便携式数字存储示波表是一个典型的嵌入式系统，融入了先进的s o p c 技术、 f p g a 技术以及嵌入式操作系统，其设计实现包括模拟通道信号处理电路、f p g a 数字电路控制模块和系统应用软件三部分。本章就其基础理论、相关技术以及各 部分总体设计思路作一简要的讨论。 2 1 基础理论及相关技术 数字存储示波表需要将外部真实世界的模拟信号以波形的形式显示在l c d 液 晶屏幕上，这个信息的流入流出过程需要将模拟信号进行采样、量化、存储，再 经过波形抽值、插值以及各种运算处理，最后在屏幕上显现出来。下面就采样原 理。、波形插值算法以及嵌入式系统和s o p c 技术等作一介绍。 2 1 ：1 采样原理 模拟信号是外界各种物理量的真实表现，但是不易进行存储和处理，而数字 信号就完全克服了这些不足，同时数字信号可以无失真的恢复原始信号，这也是 模拟信号所不具备的优点。在数字存储示波表中无论是记忆体中存储的信号还是 c p u 中处理的信号都是数字形态的，这就需要将外界的模拟信号进行实时采样， 变换成易存储和处理的数字信号。 在通信原理中我们曾经学过：一个频带限制在( o ，f h ) 赫兹内的时间连续信 号m 纠，如果以t = l 2f h 秒的问隔对它进行等问隔抽样，则f f j 将被所得到的抽样 值完全确定。换句话就是说：以两倍于被抽样信号以上的频率对其进行抽样，就 可以完全无失真地恢复出被抽样信号。抽样定理全过程如图2 1 所示。 至此，我们完全相信任何情况下此定理都会成立，但是在对示波器进行设计 与研究时会出现与香农采样定理相违背的情况，如图2 - 2 所示。从图中可以看出， 当使用两倍于信号频率的采样时钟时，信号频率确实可以恢复，使用适当的波形 重建算法我们可以得到与原始波形十分相像的波形。但是，当我们采用同样的采 样时钟而将采样点选在和原来略为不同的时刻，不在信号的峰值点采样，这样一 来信号的幅度信息就会严重失真，甚至可能完全丢失。事实上，如果采样点准确 地取在信号的过零点，那么由于所有的采样值均为零，我们将完全观测不到任何 信号。出现这样的情况是由于香农采样定理主要是针对通信应用领域，而并非针 对于示波器的。 5 电子辨授大学硕士攀懂论变 ( a ) d ( t ) 采样于输入 信号峰值处 信号重建波形 采样于输入信 号零值点附近 信号重建波形 图2 1 抽样定理的全过程 心v v v j n j 、诋八 ( b ) d w 一( w ) 图2 - 2 用两倍丁i 信号频率的采样谜率对正弦波采样 ? 、一卜卜i j v 示波器是用来研究信号的，为了很好的研究出信号不仅要求正确的表示信号 的频率，而且还要求准确地表示信号波形的幅度。如果每个周期用三个采样点进 行采样，则再现的波形也会发生很大的失真，如图2 3 所示。 根据经验通常认为每周期最少要有十个采样点才能给出足够的信号细节。但 在有些情况下，对信号的细节要求低一些，这时每周期取五个采样点就可以满足 6 了 u 二i l上 一 l 。 业mu 一、七 一“ 套 一n 一 。m a八。八i： 八一八一 黔膦 。八一凡一 、八执八 ，r，- 、0、j ， - - i，t ，j v 、， - 、!l- 二二二= = 。、 ；j v j，l -1 i ， 第二章数字示波表系统设计概述 给出的有关信号特征。实际使用中便携式数字存储示波表所采用的实时采样频率 为被测信号最高带宽的4 1 0 倍。本论文所讨论的数字存储示波表最高a d 采样 率为10 0 m h z ，而输入信号模拟带宽要求为l0 m h z ，这样无论每周期五个还是十 个采样点都能够满足要求。但我们可以采用内插的方法改善至每周期只要四个采 样点就能很好的重建波形，这样对于最大采样率为1 0 0 m h z 的示波表而言，能准 确采集到的最大信号频率便提高到了2 5 m h z 。 对输入信号采样 每周期约三个点 信号重建波形 对正弦波进行顺序 等效时间采样 形膨钐侈 j j、ji j 、 j 、f j r 。 j 、 r j 、jf j 、 n 信号重建波形o 7 f 零0 儿- ，i 刷扎i ，、。、1 。 图2 3 每周期三点采样与顺序等效时间采样 以上所讨论的都属于实时采样的范畴，所谓实时采样就是每一个采样点都是 按照一定的时间次序来采集的，这样波形数据采集的次序和采样点在屏幕上出现 的次序是相同的。这是模拟示波器所必须遵守的准则，但是对于数字存储示波表 而言就不同了，因为可以对所采集的数据进行存储，利用这一点可以实现等效时 间采样，如图2 3 所示。 在很多应用场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要 求，需要观察的信号通常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重 复地出现。对于这些信号来说，示波表可以从若干连续的信号周期中采集到多组 采样点来构成波形，每一组新的采样点都是由一个新的触发事件来启动采集的， 叮 电子科技大学硕士学位论文 每次触发后都只采集信号波形的一部分，这就是等效时间采样。这种方法可以 用比较低的采样速率采样到较高频率的信号。 2 1 2 波形插值算法 所谓插值就是在两个采样点之间插入一个或多个数值的过程，目的就是使采 样值所表现出来的波形或图像更加平滑和优美。在现实生活中我们经常遇到的有 波形插值和图像插值，比如在声音的数字处理过程中就可以采用波形插值来提高 声音的音质，在数字图像处理过程中可以采用图像插值来提高图像的平滑度、清 晰度和色彩饱和度。 在数字示波表中，实现外界信号数字化的关键就是信号采样，但是由于a d c 模数转换器件的采样速率有限，或者说不可能每个信号周期都采样几十个数据点。 那么当每个周期只有几个采样点时，波形就显得比较粗糙，为了使波形显示的平 滑和完整，就必须通过有效的内插滤波进行插值处理。插值算法是函数逼近的一 种重要方法，插值是确定某个函数在两个采样值之间的数值时采用的运算过程， 内插滤波可以看作是信号采样的逆过程。波形插值通常是利用曲线拟合的方法， 通过离散的输入采样点建立一个连续的函数，用这个重建的连续函数便可以求出 任意位置处的函数值。 如今有很多已经成熟的内插算法，比如线性插值、取样函数内插、拉格朗日 插值、有理插值、牛顿插值、埃尔米特插值等。在本课题设计中，我们采用了取 样函数内插算法，其特点是简单、易实现，速度快。 在采样定理中，对带限信号进行时域采样则会使模拟信号离散化，同时其频 谱会在频域无限扩展而成为无限带宽信号，如图2 2 所示。而在插值过程中，对抽 样信号进行低通滤波使其仅保留低频信号，在时域进行波形内插，从而恢复出原 始的模拟信号。其内插公式如下： ( 2 1 ) 式中t 。= 1 ，f 。 从公式可以看出，在( 一m ，+ m ) 范围内对各个采样值进行内插计算，就可 以恢复出原始信号x o ) 。但是( 一m ，+ m ) 这样的计算范围太大了对于实际应用来 说是不可能实现的，因此，我们只能在实践中采取近似的计算方法。通常是采用 带加权窗函数的取样函数来实现，这样就既能有效的对插值进行计算，又能够大 8 黼m 一 s 0 n 缸 一一一聆 = 雄 第二章数字示波表系统设计概述 大减少数据的计算量。加窗后的内插重建公式如下： 挣。羔x ，鬻篙挚 c 式中t s = 1 i s ，w 川是加权窗函数 由于s i n c 函数有快速双边递减特性，加上我们进行的信号处理要求实时性强、 速度快，所以在本系统中取n = 4 ，只考虑内插点左右两边各4 位序列值，即采用 八阶内插算法，这样就已经能达到较好的内插性能和精确度。 2 1 - 3 嵌入式系统 所谓嵌入式系统，是指以微处理器的计算能力为核心的完成较为单一任务( 相 对于桌面计算) 的电子设备。随处可见的例子包括移动电话、数码相机、微波炉、 安全监控、电子医疗仪器、汽车电子、办公机器、机器人等等。很快嵌入式计算 将在几乎所有的电子设备中出现，掘估计以后每个家庭大约会拥有超过2 0 0 个嵌 入式的计算机，由此引发的商业价值也是不可估量的。根据美国1 9 9 7 年的统计资 料来看，大约有1 亿只微处理器被售出用于桌面计算机，而大约有3 0 亿只微处理 器被用于各种各样的嵌入式系统中1 5 。 嵌入式系统的硬件组成通常有嵌入式处理器、存储器、输入输出接口、a d 转换器和d a 转换器、人机接1 5 1 、键盘、显示器等。其主要部件微处理器主要包 括以下几种： t 一 ( 1 ) 、通用处理器( g p p ：g e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o r ) 就是普通桌面计算机等 采用的c p u ，通常采用冯诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二为一，并采取 各种方法、技术提高计算速度。例如：i n t e l 的8 0 x 8 6 系列，p e n t i u m 系列， p o w e r p c c p u ，a r m 系列芯片等。根据内部结构和指令又可分为c i s c 复杂指令 计算机和r i s c 精简指令计算机，其中r i s c 处理器由于结构简单、性能优越，在 嵌入式系统中应用较多。 ( 2 ) 、单片微控制器( m c u ：m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 又称为单片机( s i n g l ec h i p c o m p u t e r ) ，特点是除了具有通用c p u 所具有的a l u 和c u ，还集成了存储器 ( 鼬m 瓜o m ) 、寄存器、时钟、计数器、定时器等，有较强的通信接口，有的还 自带a d 、d a 。常见的实例有i n t e l 的m c s 8 0 5 1 ，8 0 1 9 6 系列，m o t o r o l a 的 6 8 h c 0 5 1 1 系列等。 ( 3 ) 、数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 2 0 世纪8 0 年代出现， 9 电子科技大学硕士学位论文 目前已经得到广泛的应用，特点是采用哈佛结构，程序和数据分开存储! 采用一 系列措施保证数字信号的处理速度，如对f f r 的专门优化，乘加指令，加速滤波 等常见处理算法。例如t i 公司的t i 一3 2 0 c 2 0 ，c 3 0 ，c 6 0 ，c 8 0 系列，a d 公司的 2 1 8 1 ，2 1 8 5 等系列。 ( 4 ) 、不同于以上的分类，n i o s 处理器是一种采用流水线技术、单指令流的 r i s c 处理器，它的不同之处在于它是由硬件描述语言( h d l ：h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 描述而成，实现于a l t e r a 公司可编程逻辑器件中的软核处理器。它 针对a l t e r a 的可编程逻辑器件( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和片上 可编程系统( s o p c ：s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 的设计思想做了相应优化，本 论文就是采用的这种处理器1 6 j 。 r 1 o s 是嵌入式系统应 用软件的基础和开发平台， 它是嵌入在目标代码中的软 件，用户的其他软件都是建 立在r t o s 之上的，如图2 4 所示。r t o s 最关键的部分 是实时多任务内核，它的基 本功能包括任务管理、定时 器管理、存储器管理、资源 管理、时间管理、系统管理、 消息管理、队列管理、信号 灯管理等。 高层应用程序 实时操作系统r t o s ， 基本硬件平台中断服务程序 处理器硬件 g p p ，一d s pm c u 图2 - 4 嵌入式系统组成的层次结构图 目前，比较常用的嵌入式r t o s 软件有：p s o s ，v x w o r k s ，w i n d o w sc e ， p c - l i n u x ，q n x ，c m x ，e c o s 蛳c o si i 等。其q c o si 1 实时操作系统具有 可剥夺型内核、可进行裁剪、代码量小等特点，尤其是其软件源代码具有开源性， 因此成为本论文的不二选择。 2 1 4s o p c 技术 自集成电路( i c ：i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 发明以后，集成电路芯片的发展基本上遵 循了i n t e l 公司创始人之一g o r d o ne m o o r e1 9 6 5 年预言的摩尔定律，即每隔3 年集 成度增加4 倍，特征尺寸缩小1 4 倍【6 1 。随着数字化应用市场和微电子技术的迅速 发展，将系统集成到芯片上，即s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的概念提出并得到了迅速 1 0 第二章数字示波表系统设计概述 的发展。根据对技术发展的预测，到2 0 1 0 年，可以达到将1 2 个d s p 核，每个具 有5 亿个晶体管，集成到一个芯片上，相当于将今天的笔记本计算机集成到手表 大小的体积内i ”。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是a l t e r a 公司 提出来的一种灵活、高效的s o c 解决方案。它将处理器、存储器、i o 接口、l v d s 等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个_ 可编程的片上系 统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备 软硬件在系统可编程的功能，可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于 市场上有丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前0 1 3 u m 的a s i c 产品制造价格仍然相当昂 贵，而集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存贮器、外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯 片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。所以有人认为s o p c 代表了半导体产 业未来发展的方向。 在很多对速度要求不是很高的应用场合，a l t e r a 将一个软核放入p l d ，这 个软核就是n i o s ，它只占用芯片内部很少的一部分逻辑单元，成本很低。a l t e r a 的s o p c 开发工具将软硬件的设计结合起来，提供给客户一个很好的开发环境。 为了适应微电子技术及其应用的飞速发展，尤其是s o c ( 片上系统) 技术发展的 需要，a l t e r a 推出了新版本的p l d 设计软件q u a r e t u si i 。它是更加完善的p l d 设计工具，包括不同的设计输入手段( 原理图、v h d l 或v e r i l o g h d l ) 、综合仿 真工具、时限分析工具、功率评估工具、p l d 布局布线工具和产品验证工具等。 q u a r e t u si i 中的设计工具s o p cb u i l d e r 更是开创了嵌入式系统设计的新理念。 s o p cb u i l d e r 是一个能够生成复杂硬件系统的工具，它属于一种基于i p 或者平台 的设计方法。利用s o p cb u i l d e r ，用户可以很方便地将处理器、存储器和其他外 设模块连接起来，形成一个完整的系统。s o p cb u i l d e r 中已经包含了n i o s 处理器 及其他一些常用的外设i p 模块。 2 _ 2 软硬件系统总体实现框架 数字存储示波表系统包括硬件与软件两大部分，其中硬件又分为模拟电路部 分和数字电路部分，下面就其工作原理、系统框图以及性能指标等进行阐述。 2 2 1 示波表工作原理 数字存储示波表的主要任务是接收通道采集的波形数据，经预处理、参数测 l l 电子科技大学硕士学位论文 置、编码和数擞b 理后，输出缚果到l c d 屏幕显示。 首先要做的就是将外界模拟信号经过传感器后送至a d c 模数转换器，将模拟 被 测 信 号 图2 - 5 数字存储示波表信号处理流程 信号转换成数字信号。数字信号是可以存储的，所以通过一个环形f i f o ( f i r s ti n f i r s to u t ) 对由a d c 传来的数据流作相应的截取后，将有价值的数据信息存储在 s d r a m 存储器中。处理器中运行的应用软件控制整个系统的有机协作，当s d r a m 存储器中的数据信息准备好后，就通过软件对原始采样数据进行计算、处理，结 果又存回s d r a m 存储器中。最后，就是波形和相关信息的显示了。f p g a 中的外 围控制电路不断地从s d r a m 存储器中取出数据，以一定的顺序依次将波形和相 关数据信息显示在液晶屏幕上，如图2 5 所示。 当然，可以通过键盘对示波表系统发出指令，使其完成一些数据信息的计算 和处理，软件系统根据键盘的输入作出相应的响应。例如：可以对两个通道的波 形进行比较、也可以显示一个通道的波形、可以调整波形的大小、上下移动波形 的位置以及触发点位置的调整等等。 2 2 2 系统框图 数字存储示波表的系统框图如图2 6 所示。整个软硬件系统框图大致分为三 个部分：模拟通道部分、数字电路部分和软件部分。 模拟通道部分主要是对输入的外界信号进行调理，如：放大、衰减、触发电 平控制、通道耦合、触发耦合、数据采样、触发产生等。其中，放大、衰减是为 了使输入信号的电平范围能够适合a d c 模数转换器的工作范围；触发电平控制是 为了控制触发电平的高低；通道耦合、触发耦合是控制信号通路是否允许有直流 1 2 第二章数字示波表系统设计概述 输 入 信 号 输 入 信 号 图2 - 6 数字存储示波表软硬件系统框架 成分的存在；数据采样电路是本系统的关键部分，其功能是将模拟信号转换为数 字信号；而触发信号的产生也是系统正常工作必不可少的部分，其功能是使波形 能够稳定的显示在液晶屏幕上。 数字电路部分包括f p g a 器件和外围数字器件，主要实现对模拟通道送来的 数字信号进行存储、计算和处理，以及对模拟通道的控制。在f p g a 内部，a v a l o n 总线是联系各个功能模块的信号通道：n i o s 系统模块是包含c p u 在内的数据处 理中心，是整个软硬件系统的大脑中枢；参数模块实现在部分模块和软件之间进 行数据信息的传输和控制；f i f o 控制模块实现数据的采样控制及其传输控制：还 有测频模块、分频模块、键盘扫描、显示控制和三态总线桥，它们共同构成数字 存储示波表的数据信息处理系统。其外围器件主要包括l c d 显示器、键盘矩阵、 f l a s h 存储器、s r a m 以及s d r a m 存储器。 应用软件是系统运行的灵魂，它可以有效地实现各种复杂的控制功能和强大 的运算处理能力。比如：图形用户晁面的实现、波形插值的实现、自动测量功能 的实现等。软件系统主要有以下五个部分组成：嵌入式操作系统、底层驱动、封 装适配层、图形用户界面和上层应用软件。其中，嵌入式操作系统实现对各个任 务的调度、管理等；底层驱动软件实现对硬件的驱动运转；封装层是实现上下层 1 3 电子科技大学硕士学位论文 软件分离的适配层，使得下层歉硬干生改动不影响上层软件；图形用户界面是实 现人机交互的接口；上层应用软件实现各秤数据信息的运算和处理。 2 3f p g a 数字电路设计概述 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的出现是超大规 模集成电路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技术发展的结果。f p g a 器 件集成度高、体积小，具有用户编程实现专门应用的功能，从而成为研制开发的 理想器件，特别适合于产品的样机开发和小批量生产。随着f p g a 器件制造成本 的降低，将有取代专用集成电路( a s i c ) 的趋势。 本论文采用c y c l o n e 系列芯片，在芯片内可以构建一个n 1 0 s 处理器作为 系统的中央运算处理单元。n i o s 系统模块是数字电路部分实现的核心，它是一种 基于r i s c 的i p 核，可以通过a l t e r a 提供的软件对其进行配置和裁剪，比如配 置数据缓存、指令缓存的大小，添加、删减与外围器件的接口电路等。利用f p g a 内的可编程资源可以实现各种控制模块，如：参数传送模块、键盘扫描控制模块、 显示控制模块等，也可以实现诸如双口r a m 、p l l 锁相环等宏功能块。 在f p g a 内部存在着多个数字模块，各个数字电路模块之问存在着信息的交 换，传统的总线结构是多个模块分时共享总线，冈此存在着总线竞争和冲突，导 致总线利用率不高。而c y c l o