（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现.pdf

“j ：1 、i 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：豺艉 b 孰影船。川 指导教师警：吲每 日期秽胗i 1 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：幺小舷 日期：s o l o 指导教师签名：白1 1 l 天 甚翔力彤。易，f 西华大学硕士学位论文 摘要 扫频技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种崭新技术，为有关电路的频率特性测试、 研究、分析或改善电路性能提供了方便的条件。扫频仪大大简化了测量操作，提高了工 作效率，达到了测量过程快速、直观、准确、方便的目的，在生产科研教学上得到了广 泛的应用。在分析电路中，扫频仪是必不可少的已知输入的激励信号源，应用十分普遍。 通过扫频技术对放大器、滤波器、谐振器和谐振网络等电子装置的频率特性进行测量分 析，可以使测量分析更加快速、准确。 本文设计基于嵌入式技术的便携式扫频仪，其目的就是设计一款体积小、功耗低、 使用灵活，成本低廉的便携式扫频仪，而且基于嵌入式技术可提供数据保存等功能，本 款扫频仪的设计还可以让本款仪器单独当做波形发生器发生多种波形，如正弦波，方波， 三角波，又可以单独当做示波器进行使用，可通过软件编程增加或删减仪器的功能，对 测试的数据的存储、管理等操作，使用非常方便。设计开发这款体积小、操作简单、价 格低廉，功能多样的便携式扫频仪是非常有意义的。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 进行系统整体架构设计，针对目前主流的几种系统，以理论和实践需求为基 础，进行了分析和研究，提出了以嵌入式x s c a l ep x a 2 7 0 处理器为核心，接入c y c l o n e 系列f p g a 、波形发生模块、波形采集模块以及片上外设，形成本设计的便携式扫频仪 的硬件架构。 ( 2 ) 建立了嵌入式软件开发的交叉编译环境的软件平台，配置了e b o o t ，在嵌入 式平台硬件资源有限的条件下，使用p b 软件根据需要生成了便携式扫频仪的w i n d o w s c e 操作系统内核。 ( 3 ) 根据w i n d o w sc e 提供的驱动模型，开发扫频仪的流式接口驱动及编写流式 接口驱动程序，进而添加了外接硬件的流式接口驱动程序，解决了人机交互界面对外接 硬件的操作问题。 ( 4 ) 使用v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 软件来编写客户端人机交互界面，通过单文档调用对话 框的使用，各个功能的模块化设计，通过调用流式驱动提供的接口函数，进行硬件操作 操作，使程序能够多线程高速运行，提高了c p u 的工作效率。 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 ( 5 ) 根据设计要求制定了测试方案，针对调试和测试中出现的问题，提出了一些 实际的解决措施。最后的测试结果基本达到了设计要求，并进行了总结和展望。 关键词：嵌入式系统；w i n c e ；流式驱动；扫频；交互式界面 西华大学硕士学位论文 a b s tr a c t s w e e pt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di nt h e6 0 so f t h e2 0 t hc e n t u r yu pab r a n dn e wt e c h n o l o g y , t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i tt e s t i n g ，r e s e a r c h , a n a l y s i s ，o rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h ec i r c u i tp r o v i d e sac o n v e n i e n tc o n d i t i o n s s w e e pg r e a t l ys i m p l i f i e st h e m e a s u r e m e n to p e r a t i o n ，i m p r o v ee 衔c i e n c y ，t ot h em e a s u r e m e n tp r o c e s sf a s t , i n t u i t i v e ， a c c u r a t ea n dc o n v e n i e n tp u r p o s eo fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt e a c h i n gi nt h ep r o d u c t i o nh a sb e e n w i d e l yu s e d i nt h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i t ，t h es w e e pi si n d i s p e n s a b l ei n s t r u m e n tk n o w ni n p u t e x c i t a t i o ns i g n a ls o u r c e ，a p p l i c a t i o ni sw i d e s p r e a d t h r o u g hs w e e p i n gt e c h n o l o g ya m p l i f i e r ， f i l t e r s ，r e s o n a t o r sa n dr e s o n a n tn e t w o r ka n do t h e re l e c t r o n i cd e v i c e st om e a s u r et h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s ，m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i sc a nm a k e m o r er a p i da n da c c u r a t e t h i sd e s i g ni sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yo fp o r t a b l es w e e p e r s ，w h o s ea i mi st o d e s i g nas m a l ls i z e ，1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h eu s e o ff l e x i b l e ，l o w c o s tp o r t a b l es w e e p e r , a n db a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yt op r o v i d ed a t as t o r a g ea n do t h e rf u n c t i o n s ，t h i s s u b s e c t i o ns c a n n e rd e s i g na l s oa l l o w sas e p a r a t ei n s t r u m e n ti nt h i sp a r a g r a p ha st h e m u l t i w a v e f o r mf u n c t i o ng e n e r a t o r ，s u c ha ss i n e ，s q u a r e ，t r i a n g l ew a v e ，i tc a nb eu s e da l o n e a st h eo s c i l l o s c o p ea n dc a nb ep r o g r a m m e db ys o f t w a r et oa d do rd e l e t ee q u i p m e n tf u n c t i o n s t h et e s td a t as t o r a g e ，m a n a g e m e n t , o p e r a t i o n ，e a s yt ou s e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h i s s m a l l ，s i m p l e ，i n e x p e n s i v e ，v e r s a t i l ep o r t a b l es w e e p e r i sv e r ys i g n i f i c a n t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e l i n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： ( 1 ) f o rs y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g nf o rt h ec u r r e n tm a i n s t r e a mo fs e v e r a ls y s t e m s ，t h e t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ln e e d sa st h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h ea r m + f p g 俊 a r c h i t e c t u r e x s c a l ep x a 2 7 0e m b e d d e dp r o c e s s o rc o r e ，a c c e s st oc y c l o n es e r i e sf p g a ， w a v e f o r mm o d u l e ，w a v e f o r ma c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h eo n c h i pp e r i p h e r a l st of o r mt h e d e s i g no fp o r t a b l es c a n n e rh a r d w a r ea r c m t e c t u r e ( 2 ) e s t a b l i s h e dc r o s s c o m p i l eo fe m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s o f t w a r ep l a t f o r m ，c o n f i g u r e de b o o t ，也ee m b e d d e dp l a t f o r mu n d e rc o n d i t i o n so fl i m i t e d h a r d w a r er e s o u r c e s t h es o f t w a r en e e d e dt ou s ep bg e n e r a t e daw i n d o w sc ep o r t a b l e s c a n n e ro p e r a t i n gs y s t e mk e r n e l ( 3 ) p r o v i d e du n d e rt h ew i n d o w sc ed r i v e rm o d e l ，d e v e l o p e ds c a n n e rs t r e a m i n gw r i t e s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e ra n dt h ei n t e r f a c ed r i v e r a n dt h e na d da ne x t e r n a lh a r d w a r es t r e a m i n g i n t e r f a c ed r i v e rt os o l v et h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c et ot h ee x t e r n a lh a r d w a r eo p e r a t i o n a l p r o b l e m s ( 4 ) u s ev i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5s o f t w a r et ow r i t et h ec l i e n ti n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，t h r o u g ht h e i i i 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 u s eo fas i n g l ed o c u m e n tc a l l e dt h ed i a l o gb o x ，a l lf e a t u r em o d u l a rd e s i g n ，p r o v i d i n ga e a l l f l o wd r i v e ni n t e r f a c ef u n e t i o n s ，t oo p c r a t et h eh a r d w a r eo p e r a t i o n ，s ot h a tp r o g r a mc a n r u nm u l t i t h r e a d e dh i g h s p e e di m p r o v et h ee 伍c i e n c yo fc p u ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc a l l e df o ra t e s tp r o g r a mf o rd e b u g g i n ga n dt e s t i n g p r o b l e m s ，p u tf o r w a r ds o m ep r a c t i c a ls o l u t i o n s t h ef i n a lt e s tr e s u l t sb a s i c a l l ym e e t s t h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n das u m m a r y a n do u t l o o k k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，w i n c e ，s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e r ；s w e e p i n g ；m a n m a e h i n ei n t e r f a c e i v 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 课题的背景1 1 2 嵌入式扫频仪的国内外发展现状1 1 3 课题的意义2 1 4 本文的主要工作内容与论文结构3 1 4 1 本文的主要工作内容3 1 4 2 论文结构3 2 基于嵌入式的便携式扫频仪的系统设计5 2 1嵌入式便携式扫频仪总体概述5 2 2i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 嵌入式主处理器7 2 2 1 系统存储器接口7 2 2 2 时钟和电源控制器7 2 2 3 d m a 控制器一8 2 2 4i c d 控制器8 2 2 5 系统集成模块9 2 2 6 多媒体通信接口9 2 3 扫频仪硬件电路模块设计9 2 3 1基于f p g a 的接口逻辑模块9 2 3 2 波形发生模块1 2 2 3 3 波形采集模块15 2 4 软件需求开发环境分析18 2 5 本章小结2 0 3 便携式扫频仪的嵌入式内核移植2 1 3 1 嵌入式w i n d o w sc e 开发环境2 1 3 1 1 嵌入式w i n d o w sc e 操作系统结构2 2 3 2 交叉开发环境2 3 3 2 1 p l a t f o r mb u i l d e r 2 3 3 3b o o t l o a d e r 2 5 v 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 3 3 1写e b o o t 到f l a s h 存储器中2 5 3 3 2配置e b o o t 2 8 3 4 便携式扫频仪的w i n c e 系统的定制和剪裁2 9 3 5 本章小结4 2 4 扫频仪的流式驱动程序的设计4 3 4 1w i n d o w sc e 本机设备驱动程序。4 3 4 2w i n d o w sc e 流式接口驱动4 4 4 2 1流式接口驱动程序的工作结构4 5 4 2 2 流式接口驱动程序的实现原理。4 6 4 3 扫频仪流式接口驱动的开发4 7 4 3 1为扫频仪流式接口驱动程序选择前缀4 7 4 3 2 为扫频仪流式接口驱动程序流式接口驱动d l l 所需的接口函数4 7 4 3 3 编写扫频仪外接硬件d l l 的导出函数定义文件5 5 4 3 4 编写扫频仪外接硬件驱动的注册表部分。5 5 4 4 扫频仪外接硬件驱动的运行。5 5 4 5 本章小结5 8 5 扫频仪人机交互界面设计5 9 5 1基于嵌入式的便携式扫频仪软件设计的总体概述。5 9 5 2 扫频仪主界面设计。6 0 5 2 1功能菜单6 2 5 2 2 数据的传输6 3 5 3 功能模块设计6 4 5 3 1波形发生功能模块。6 4 5 3 2 波形采集功能模块6 7 5 3 3扫频功能模块。6 9 5 4 本章小结7 0 6 系统调试与测试7 1 6 1 调试情况综述。7 1 6 2 嵌入式便携式扫频仪调试与测量7 1 6 3 本章小结7 2 7 结论与展望。7 3 参考文献。7 4 西华大学硕士学位论文 作者在读期间科研成果简介7 6 致 射7 7 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的背景 扫频仪也叫频率特性测试仪，频率特性是以频率为变量描述系统特性的一种图示方 法。一般用于分析作为“黑箱”或“灰箱”的电路系统，例如二端口网络系统，可以通 过传输特性和反射特性来描述，对于低频电路网络，若只关心电路系统的传输特性，可 以用传递函数h ( s ) 来描述【1 1 。 早期的频率特性测试是通过手动改变频率的方法逐点测量完成的，后来按照这种方 法设计了专门的扫频仪用于频率特性的测量。 早期的测量仪大都采用分立元件来实现各功能，显示部分也是用传统的示波器，所 以体积大、设备笨重、故障率高、操作复杂、价格昂贵，有的只能测量幅频特性，且精 度不高。如b t 6 型超低频频率特性测试仪等，就是采用分立的元件，由于分立元件分散 性大，参数变化与外部条件有关，因而产生的频率稳定度差、精度低、抗干扰能力不强， 成本反而高。 后来，随着频率合成技术及微电子技术的发展，扫频仪也得到改进，扫频源采用数 字量进行控制，数字化信号源可以弥补分立元件的不足，测量部分也进行了数字化的改 进，大都采用了单片机进行控制和运算，提高了测量的精度，但是，大多都在低频段( 小 于1 m h z ) ，测试仪的智能化程度仍然不是很高，扫频范围也不宽，相位测量精度也不 高，虽然有一些测试仪也具有很高的精度和很宽的扫频范围，但是价格极其昂贵。 近几年，随着现代电子技术的飞速发展，各种仪器都向小型化、数字化、智能化、 低功耗方向发展，扫频仪作为一种重要的测量仪器，也在不断的发展，由于直接数字频 率合成( d d s ) 技术【2 】的日渐成熟，为扫频仪实现数字化开辟了道路，液晶显示器技术 的成熟使扫频仪小型化成为可能。 1 2 嵌入式扫频仪的国内外发展现状 自从2 0 世纪3 0 年代末第一台扫频仪诞生以来，科学技术发达国家投入了大量人力 和物力研究扫频仪的理论和先进的扫频仪应用技术。进入2 0 世纪8 0 年代后，随着集成 电路技术、快速a d 转换、频率综合技术，尤其是微处理器技术的飞速发展，使扫频仪 的技术指标大大提高，操作更为方便、功能更加完善。 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 国外扫频分析技术初期时就取得了很大的成就。2 0 世纪8 0 年代初期，美国的n i 、 l i p 公司就致力于计算机技术和测试技术相结合，并取得了飞速的发展，主要的发展可 以总结为功能多样，使用灵活方便和体积轻便等几个方面。国外生产的扫频仪存储容量 大，元器件高度集成化，采用防撞击、防水的外壳，能适应恶劣的工业应用环境，并减 轻机器的重量。国外基于嵌入式系统的扫频仪已经成熟，其运行平台以及编程软件已经 由最开始使用汇编语言对单片机编程过渡到在嵌入式系统上使用高级文本编程语言和 图形化编程语言编程。 我国在2 0 世纪7 0 年代后扫频技术快速发展，随着世界高科技技术发展的潮流，我 国扫频仪器在若干重大科技领域获得突破的进展，但是由于起步低，新的理论技术应用 与实际的较少，与国外相比在技术上仍然处于落后。在数字化、智能化水平上跟不上市 场的要求，因而国内近9 0 的市场都是被国外产品所占据，如安捷伦、r & s 、安立、泰 克、威尔泰克等厂家。 现今电路的测试对扫频仪计算速度、采集精度、功耗、可移动性都提出了更高的要 求。国外的扫频仪技术虽然比较先进，但是价格昂贵，而国内的扫频仪技术还不完善， 存在着体积大、功耗高、运算速度低、性价比高，功能单一，对数据分析和处理很不方 便，也不能保存大量数据，给使用带来诸多不便等缺点。 近年随着嵌入式技术的飞速发展，国内的很多公司已经使用嵌入式平台开发扫频 仪。使用的嵌入式操作系统主要有两种，一种是以嵌入式l i n u x 作为操作系统。另一种 是微软公司推出的w i n d o w sc e 操作系统，使用大家熟悉的v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 环境，由 于w i n d o w sc e 拥有多线程、多任务、确定性的实时、完全抢先式优先级的操作系统环 境，专门面向只有有限资源的硬件系统。同时它的模块化设计方式使得系统开发人员和 应用开发人员能够为各种各样的产品来定制它，使嵌入式w i n d o w sc e 操作系统逐渐的 被更多用户所使用。 随着仪器仪表迅速发展的同时，计算机技术和网络技术也在迅速发展，嵌入式系统 的出现和广泛应用，使计算机和网络进入了后p c 时代，基于嵌入式技术的智能测试仪 表系统作为工业控制重要发展方向之一。把嵌入式系统应用到仪器仪表领域，基于嵌入 式技术开发出高速、低功耗、功能全面、价格低廉的扫频仪成为扫频仪发展的趋判3 1 。 1 3 课题的意义 由于现今市场的扫频仪价格昂贵，一般用户难以接受这笔高昂的费用，导致其对频 率特性的认识仅限于基础概念和理论上的理解，没有将相关理论应用与实践当中。本论 文要设计一种适用于一般需求的用户、便携、节能、低成本的扫频仪，其扫频范围、频 2 西华大学硕士学位论文 率分辨率等性能指标虽然不及市场上成熟产品的性能指标，但足以满足一般需求用户的 要求，而且低廉的价格能够适应用户的购买力，对于这一用户群体来说，这种便携式扫 频仪是具有较高的性价比的。 论文要通过对基于嵌入式系统便携式扫频仪设计方法的原理性验证来证明该方法 的可行性，也为其他相关的设计提供了实践参考和依据。 1 4 本文的主要工作内容与论文结构 通过本课题的研究，其目的就是借助嵌入式技术可以实现低功耗、小体积、低成本 等优点，设计一款频率范围1 0 h z 1 m h z ，频率分辨率为1h z ，输出信号为连续正弦波 的便携式扫频仪【4 卅，并可以通过功能选择当做示波器或波形发生器来使用。 1 4 1 本文的主要工作内容 。 ( 1 ) 针对目前实践的需求，进行了分析和研究，确定设计方案是以p x a 2 7 0 嵌入 式处理器为核心，将f p g a 、波形发生模块、波形采集模块、显示模块等接入到嵌入式 系统，形成了a r m + f p g a 可重构结构的便携式扫频仪硬件系统。 ( 2 ) 在嵌入式平台硬件资源有限的条件下，使用p l a t f o r mb u i l d e r 软件剪裁自己所 需要的内核，删除自己不要的组件，最后生成自己所需要的最简的w i n d o w sc e 操作系 统内核。 ( 3 ) 由于人机交互式界面无法直接对外接硬件进行操作，所以根据流式接口驱动 程序的实现原理，开发外接设备的驱动程序，实现人机交互式界面调用流式接口驱动程 序提供的接口函数来进行外接硬件的操作。使用v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 软件编写人机交互界 面，通过单文档调用对话框的使用，各个功能模块化的设计，使程序能够多线程高速运 行，提高了c p u 的工作效率。 1 4 2 论文结构 论文的文章结构为： 第一章：本章主要介绍了本课题相关领域的背景知识，发展现状以及课题的内容和 意义，将理论基础与实际应用联系起来。 第二章：针对目前主流的几种系统，以理论和实践需求为基础，进行了分析和研究， 确定设计方案是以p x a 2 7 0 嵌入式处理器为核心，将f p g a 、波形发生模块、波形采集 模块、显示模块等接入到嵌入式系统，形成了a r m + f p g a 可重构结构的便携式扫频仪 硬件系统。 3 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 第三章：便携式扫频仪的嵌入式系统内核设计：本章介绍了w i n d o w sc e 嵌入式系 统开发环境和操作系统结构，着重介绍了便携式扫频仪w i n d o w sc e 系统的剪裁定制， 及如何配置使用相关的e b o o t 。 第四章：扫频仪的流式接口驱动程序设计：本章介绍了w i n d o w sc e 系统的工作结 构和实现原理，并讲解了便携式扫频仪外接流式接口硬件驱动的开发及运行原理及人机 交互界面如何调用接口函数来实现对扫频仪外接硬件的控制。 第五章：人机交互界面的设计：本章介绍了用v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 开发人机交互界面 的设计及各功能模块的设计。 第六章：测试与调试：针对软件设计实现时发现的问题，进行了研究与解决，最后 使软件的功能达到了预期的效果。 第七章：总结与展望：本章对本课题以及论文进行了归纳性的总结，指明了软件的 可扩展性，同时也对这一研究方向进行了展望。 4 西华大学硕士学位论文 2 基于嵌入式的便携式扫频仪的系统设计 2 1 嵌入式便携式扫频仪总体概述 作为一代比较成熟的嵌入式扫频系统，以a r m 嵌入式处理器芯片外接f p g a 等外 设的系统【7 】目前正作为主流出现在各个应用现场。它既使用了操作系统，实现了真正“系 统”的意义，弥补了通用型单片机结构所带来的各种缺陷，满足了应用的需求，又克服 了硬件结构过于复杂引起的大工作量开发。 选用嵌入式系统的优点【8 】有以下几点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 大多是用在为了特定用户群设 计的系统中，它通常都具有低功耗、集成度高、体积小等特点，这些使嵌入式系 统设计趋于小型化，移动能力大大增强，同时与网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、电子技术和半导体技术与行业的应用相结合 的产物。这也决定它是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识技术集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都需要高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，在同样大 小的硅片上实现更好的性能。 ( 4 ) 嵌入式系统与具体应用有机地结合，它的升级换代也是和产品同步进行，因此嵌 入式系统产品进入市场后具有较长的生命周期。 ( 5 ) 嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或是单品机本身，这样提高了执行速 度和系统可靠性。 本文设计的便携式扫频仪主要特点在于便于移动，因此本设计的便携式扫频仪不但 要具备扫频仪的基本功能，而且还有在小型化、智能化、集成化方面有较大的进步和提 高，并且满足低功耗、低成本的要求。而嵌入式技术恰好具有这样的特点。 选用嵌入式扫频系统是目前比较合理的一种架构方案。本文设计的便携式扫频仪是 构建于嵌入式w i n d o w sc e 操作平台之上，采用i n t e lx s e a l ep x a 2 7 0 处理器【9 】作为核心 处理器，集数据采集、显示和存储等多项功能与一体的智能测试仪器。为了提高系统性 能，在本系统的设计中采用了a r m + f p g a 可重构结构【1 0 】，以下是本设计的系统结构框 图，如图2 1 所示： 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 核 ；心 ；电 ；路 ； l i 囤回 外部扩展存储器 图2 1 基于嵌入式系统便携式扫频仪硬件总体框图 f i g u r e2 1 b a s e de m b e d d e dp o r t a b l es w e e p e rh a r d w a r ea r c h i t e c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 由图可知，整个便携式扫频仪电路大体可分为两个部分：数据处理、波形显示电路 和采集、发生、存储及控制电路。其中数据处理及波形显示电路以i n t e l 公司的p x a 2 7 0 处理器为核心，完成波形采集和发生模块工作状态的控制、扫频仪的显示刷新、触摸屏 输入信号的处理和与外部接口电路的通信等工作；而采集、发生、存储及控制电路则以 f p g a 控制电路作为核心，主要完成对模数转换和数模转换的控制以及采集数据存储控 制等工作。 采用a r m + f p g a 的系统结构，能够最大地发挥a r m 芯片和f p g a 器件的长处。 特别在实时信号处理系统中，底层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要 求很高，但运算结构相对比较简单，适合于f p g a 进行硬件实现，这样能同时兼顾速度 及灵活性。 6 西华大学硕士学位论文 2 2ln t eix s c aiep x a 2 7 0 嵌入式主处理器 i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 嵌入式处理器是i n t e l 公司生产的新一代基于x s c a l e 微架构的 集成系统芯片处理器【1 1 m 】，是整个硬件电路系统的核心，除了x s c a l e 微内核外，它还 集成了很多适合于便携式设备市场需要的外设设备。 i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 是一种十分先进的嵌入式处理器，采用x s c a l e 核心，频率为 1 0 4 m h z - - 6 2 4 m h z ，加强了微处理器速度的管理，加快了多媒体处理的速度，并支持 8 2 0 1 l b 8 0 2 3 及蓝牙技术、它是i n t e l 公司第一个私人p c a 处理器，内置了i n t e l 的无线 m m x 技术能够显著的提升多媒体性能，能够根据需要动态调节c p u 的性能，真正实 现了低功耗，高性能。采用v p b g a 封装方式。同其他x s c a l e 处理器一样，支持多种嵌 入式操作系统，如l i n u x 、w i n d o w s 、w i n d o w sc e 、n u c l e u s 、p a l mo s 、v x w o r k s 、 j a v a 等操作系统。 在存储方面，p x a 2 7 0 支持s e c u r ed i g i t a l 和c o m p a c tf l a s h 扩展技术。它还有电源 管理功能，这个功能可以根据处理器所执行的任务来调节耗电量，而且缓存都达到了 6 4 k b ，并都整合了内存控制器、l c d ( 液晶显示器) 控制器和扩展控制器等。 i n t e lx s c a l ep 心7 0 的总体结构框图如图2 2 所示。i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 处理器的 硬件特性如下： 2 2 1系统存储器接口 提供可编程时序的控制信号，支持各种存储芯片； 支持动态存储器和静态存储器，动态存储器分为4 块，静态存储器分为6 块，每块 都有6 4 m b y t e 的寻址空间； 具有两个p c m c i a c f 卡接口。 2 2 2 时钟和电源控制器 1 3 m h z 中央处理器振荡器，具有核p l l 和外围p l l ，可产生各种工作频率； 3 2 7 6 8 k h z 计时振荡器可驱动实时时钟、电源管理和中断控制器，当在低功率模式下 可以为计时功能创建一个低功耗、低频率的时钟； 电源控制器可控制运行、空闲、深入空闲、待命、睡眠和深入睡眠工作模式之间的 转换。 7 图2 2p x a 2 7 0 处理器总体结构框图 f i g u r e2 2 p x a 2 7 0p r o c e s s o rb l o c kd i a g r a mf o rat y p i c a ls y s t e m 2 2 3d m a 控制器 具有3 2 个可配置的d m a 通道，可为内部外设和外部芯片提供服务； 采用f l o w t h o u g h 模式执行外设与内存以及内存与内存之间的传输； 采用描述器，允许命令链和循环结构。 2 2 4 l g d 控制器 最大支持8 0 0 * 6 0 0 像素，推荐使用6 4 0 * 4 8 0 ； 西华大学硕士学位论文 共有7 个d m a 通道，允许l c d 控制器支持单层和双层显示； 支持主动模式和被动模式显示，可以达到1 6 m 色。 2 2 5 系统集成模块 内部集成g p i o ，每个g p i o 可编程为输入或是输出，作输入时可编程在上升或下跳 沿引发中断。部分g p i o 有多种功能，可映射用于各种外设； 集成中断控制器，所有中断可置内核的i r q 或f i q 中断，中断屏蔽寄存器可使能或 屏蔽任何一个中断源； 集成o s 定时器。有一个3 2 5 m h z 的参考计数器和4 个匹配寄存器。他们可产生定 时器中断，其中一个匹配寄存器可产生w a t c h d o g 复位。 集成p w m ，有四路独立的输出，增强了周期和频率的控制。 2 2 6 多媒体通信接口 a c 9 7 控制器。支持a c 9 7v 2 0 编码器，编码器的采样频率可达4 8 k h z ，包含立体 声p c m 输入输出、m o d e m 输入输出和单声道话筒输入的通道； i i s 控制器。可串行连接到数字立体声的标准i i s 编码器，支持普通的i i s 和m s b 调整的i i s 格式。由4 个引脚可与i i s 编码器连接，与a c 9 7 控制器复用； 多媒体卡( m m c ) 控制器。支持与标准的存储卡的串行接口，传输速率可达 19 5 m b p s 。 2 3 扫频仪硬件电路模块设计 2 3 1基于f p g a 的接口逻辑模块 现今，数字集成电路得到广泛的应用。数字集成电路本身也在不断地更新换代。由 早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万 门以上) 以及很多具有特定功能的专用集成电路。但是随着微电子技术的发展，设计与 制导集成电路的工作已经不完全由半导体厂家来独自承担了，系统设计者们更愿意自己 设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最后是在实验 室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编 9 基于嵌入式系统便携式扫频仪的设计及实现 程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的是复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编 程门阵列( f p g a ) 。 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 都是可编程逻辑器件， 他们都是在g a l 、p a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往使用的g a l 、p a l 等相比较，c p l d f p g a 的规模比较大，可以代替几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的 c p l d f p g a 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到全球范围内电子工程设计者的 普遍欢迎。经过了几十年的发展，很多公司都开发了多种可编程逻辑器件。 规模比较大的公司是a l t e r a 公司和x i l i n x 公司，它们开发较早，占有了较大的市场。 全球的p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t c r a 公司和x i l i n x 公司提供，可以说a l t e r a 公 司和x i l i n x 公司共同决定了p l d 技术的发展方向。 尽管c p l d ，f p g a 和其它类型的p l d 的结构各有特点和长处，但概括起来，都由 三大部分组成的： ( 1 ) 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心； ( 2 ) 输入输出块； ( 3 ) 连接逻辑块的互连资源。互连资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有 一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 对于用户而言，c p l d 和f p g a 的内部结构稍有不同，但是使用方法一样，所以多 数情况下，不加区分。 本文选用的是a l t c r a 公司c y c l o n e e p l c 6 q 2 4 0 c 8 1 3 】，其主要特点如下： 拥有2 9 1 0 - 2 0 0 6 0 个逻辑单元，逻辑密度为5 9 8 0 个可用门、1 8 5 个可用i o 引脚； 工作温度范围：0 0 c 8 5 0 c ； 高达2 9 4 9 1 2 比特的r a m 空间； 支持低成本的串行配置器件； 支持6 6 m h z ，3 2 位p c i 标准： 支持低速3 1 1 m b sl v d si o 接口； 每个设备最多拥有2 个锁相环，用于实现时钟倍频和相移等功能； 多达8 个全局时钟线并在每个l a b 行有6 个时钟资源； 支持高速外部存储，包括d d r