（测试计量技术及仪器专业论文）四通道数字示波器数据处理与显示模块软件设计.pdf

摘要 摘要 本论文课题为2 g s p s 四通道数字存储示波器项目，本文讨论了该系统部分软 件模块的设计与实现。 四通道数字存储示波器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。软件部分是在a d s p b f 5 3i 的v i s u a ld s p + + 5 0 集成开发环境 中进行开发的。 论文包括的具体模块内容如下。 显示模块。此模块中主要讨论了液晶屏的p p i 驱动方式的原理与实现；图形 化界面的整体设计布局，字符及菜单的显示方法；波形的多种显示方式。 数据处理模块。此模块中主要讨论了多种对波形数据做进一步处理的方式。 包括输入信号的二元数学运算、f f t 运算和滤波功能，输入信号的通过失败测试 以及波形的录制和回放。 配置与状态记忆模块。在本示波器中，配置与状态记忆模块采用1 2 c 存储器 件存储示波器的基本状态参数和菜单状态。本模块中主要讨论了1 2 c 芯片的硬件 及软件设计方法及其在整机中的应用。 双时基。双时基是一种新的波形采集及显示方法。在两个不同的时基档采集 同一个信号数据并同时显示。这种方式可以令用户更好地观察波形的细节。本模 块中阐述了双时基的实现原理及在示波器中的具体应用。 关键词：四通道，数字存储示波器，显示，数据处理，存储 a b s t r a c t a b s t r a c t w ed oar e s e a r c ho nt h ep r o je c to f2 g s p sf o u r c h a n n e ld s o t h em a i nc o n t e n t i st h ed e s i g na n di m p l e m e n to fs o m ep a r t so fs o f t w a r em o d u l e si nt h i sp r o je c t t h ef o u r - c h a n n e ld i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei sd e s i g n e db a s i n go nt h ec o r eo f e 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 ) ，t h ef x a m e w o r ko fd s pa n df p g a ，a n dt h e s o f t w a r eo f w h i c hi sd e v e l o p e di nt h ev i s u a ld s p + + 5 0i d d eo f a d s p - b f 5 31 f o l l o w i n ga r et h ed e t a i l so ft h e s em o d u l e s d i s p l a ym o d d e ：t h i sm o d u l ei n c l u d e st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fp p i d r i v i n g ；t h ed e s i g nl a y o mo fg a p h i ci n t e r f a c e ；t h ed i s p l a ym o d e so fc h a r a c t e r s ，m e n u a n dw a v e f o t i n s d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ：t h i sm o d u l ei n c l u d e sm a n yp r o c e s s i n gm o d e so f w a v e f o r md a t a t h e ya r em a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n ，p a s s f a i lt e s ta n dr e c o r d i n ga n d r e p l a y i n go ft h ew a v e f o r m s c o n f i g u r a t i o na n ds t a t u sm e m o r ym o d l l l e ：t h i sm o d u l eu s e s1 2 cs t o r a g ed e v i c et o k e e pt h eb a s i cs t a t u sp a r a m e t e r so fo s c i l l o s c o p ea n dt h em e n us t a t u s i nt h i sm o d u l e ， w em a i n l yd i s c u s st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nm e t h o do ft h e1 2 cc h i pa n dt h e a p p l i c a t i o ni nt h eo s c i l l o s c o p e d u a l t i m e b a s e s ：d u a l t i m e b a s e si san e wm e t h o do fs a m p l i n ga n dd i s p l a yo f w a v e f o r m s t h eo s c i l l o s c o p es a m p l eo n ew a v e f o r mi nt w od i f f e r e n tt i m e b a s e sw h i l e d i s p l a y i n gi ti nt w od i f f e r e n tw i n d o w s t h i sw a yc a l lm a k el a s e r so b s e r v et h ed e t a i l so f t h ew a v e f o r m sb e t t e r i nt h i sm o d u l e ，w ew i l le x p a t i a t et h ei m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l eo f d u a l - t i m e b a s e sa n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h eo s c i l l o s c o p e 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 i s p l a y , d a t ap r o c e s s i n g ， s t o r a g e 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：兰亟二亟日期： 移年厂月日 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：导师签名： 、刁髟抄 醐：1 刖岫 第一章前言 第一章前言 本章主要介绍了数字存储示波器的基本原理和与传统的模拟示波器相比较突 出的优点；国内外的数字存储示波器的发展状况；本文有关数字存储示波器的研 究内容，包括要实现的性能指标和具体的设计任务。 1 1 数字存储示波器概述 数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，简称为d s o ) 是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种新型示波器。与模拟记忆示波器不同，数字存储示波器不 是一种模拟信号的存储，也不将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是将捕捉 到的波形通过d 转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。它可以 方便地实现对模拟信号进行长期存储并利用机内微处理器系统对存储的信号作进 一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动 测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重 大变革。按目前数字示波器( d o ) 的发展，有数字实时取样示波器和数字等效取 样示波器。从发展趋势来看，数字示波器最终将取代模拟示波器。液晶显示示波 器和高分辨率彩色显示数字示波器将是示波器发展的两大主要趋势。 数字存储示波器的随机存储器r a m 按功用可分为信号数据存储器、参考波 形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器4 种。信号数据存储器存放模拟信 号取样数据；参考波形存储器存放参考波形的数据，它采用电池供电，或采用非 易失性存储器，故可以长期保存数据；测量数据存储器存放测量和计算的中间数 据和计算结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同：显示缓冲存储器 存放欲显示的数据、显示屏上显示的全部信息均由显示缓冲存储器直接提供。 由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行， 与宽带示波器相比，采集速度与显示速度可以不相同，因此，采集速度很高的数 字存储示波器对其显示的速度要求不高。 数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示、视窗显示、滚动显示 和x y 显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。 因为数字电子技术的引入，与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器有着 电子科技大学硕士学位论文 非常突出的特点： 1 可以观测周期的、非周期的、单次的和超低频的信号。 对于单次脉冲以及低频有重复频率的信号的测量非常方便，在观察缓慢信号 时没有闪烁现象。 2 有丰富的触发功能。 具有先进的触发功能是数字示波器最大的优点，这个功能使示波器的应用更 加得心应手。值得一提的是数字存储示波器的预触发功能，它克服了传统示波器 只能观测触发点以后波形的缺点，对于分析故障产生的原因特别有利。 3 使用简单。 大部分的数字示波器都具有自动测量功能，使用者可以对多种参数进行自动 测量。除此之外，还可以将前面板设置情况存入断电不丢失的存储器中，每次开 机时仍保留上次关机时的设置，大大简化了操作过程。 4 多种灵活的显示方式 数字存储示波器有滚动显示和存储显示等多种显示方式。滚动显示是指示波 器屏幕上的波形可以连续不断地从屏幕右边进入再从屏幕左边移出，可以观测到 波形的全貌。存储显示是指在稳定不闪烁地显示所有存储的瞬变信号的同时，还 可以扩展移动所显示的波形。 5 便于波形数据分析处理 数字存储示波器带有微处理器，可以编程、进行自动程控操作，同时还可以 对信号进行信息处理。也可以方便地通过通讯接口将信号送到打印机或送到计算 机，进行更复杂的数据运算、分析和处理【2 1 。 1 2 国内外数字存储示波器的发展概况 数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试 工程师必备的工具之一。八十年代以来，示波器进入了数字化、智能化的发展阶 段。“带宽”不断提高，目前已达到几十个g h z 的水平。数字智能化示波器具有 更好的存储功能，能够实现自动化测量；具有对数据进行各种统计分析，函数分 析的功能；有的高档示波器直接工作在w i n d o w s 平台上，与计算机合为一体，操 作更为简便，功能更强大。总之，数字技术和计算机技术在示波器上的应用，使 得示波器面貌日新月异，进入崭新的发展阶段【3 1 。 数字示波器市场最大的三个生产厂家为美国安捷伦科技、美国泰克和美国力 2 第一章前言 科公司，国内厂家则以中国普源精电为主。 泰克公司目前推出了d p 0 7 0 0 0 0 b 数字荧光示波器，该款示波器拥有目前示波 器行业中最高的带宽和最优的抖动底噪，并且新推出的b 型号现在还提供极佳的 垂直噪声性能、平坦的频响和业内最佳的有效比特位。 普源精电近期推出了四通道示波器，该产品带宽最高可达2 0 0 m h z ，实时采 样率为2 g s a s ；拥有边沿，视频，脉宽，交替、码型触发等多种高级触发功能， 可以快速稳定多种信号；拥有双u s bh o s t 、u s bd e v i c e 、l a n 等多种接口，方 便文件保存和系统集成。5 7 英寸q v g a ( 3 2 0 2 4 0 ) 6 4 k 色l e d 背光t f t 彩 色液晶屏，亮度高、色彩逼真；同时支持u 盘存储、支持p i c t b r i d g e 打印机【4 】。 在示波器的前面板显示方面，在9 0 年代显像管是主流，但现状是液晶、p d p 等大画面的平板显示器正在快速取代它。在几年前，国内的示波器厂商还是以生 产黑白液晶显示的示波器为主，但近几年已经朝着像素更高，面积更大的大屏幕 显示示波器发展。在国外，大屏幕的示波器已经被广泛使用了。由于示波器的带 宽越来越宽，采样率越来越高，信号精度变大了，所以只有使用大液晶屏才能更 清晰地观察信号细节。 由于目前的示波器基本上都属于嵌入式系统，其中包含了微处理器、微控制 器，在其上可以方便、快速地进行数据的分析和运算。所以示波器上的数学运算 功能从最初的简单加减法已经发展到可以进行傅里叶比变换、数字滤波等高级数 学功能，方便了用户对数据进行分析。 随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界数字示波器市场进一步扩 大，而作为在世界经济发展中扮演重要角色的中国，飞速发展的电子产业也催生 了更庞大的数字示波器需求市场。面对如此庞大的市场，世界以及中国本土示波 器制造商一方面增强中国市场的进军力度，另一方面也紧贴市场的需求，最大程 度的满足用户的实际使用需求。目前新的技术应用越来越多，测试要求也越来越 高，谁能不断满足用户不断变化的测试需求，谁就能赢得市场1 5 j 。 1 3 本文研究内容 1 3 1 主要性能指标 本课题设计的数字存储示波器为四通道，单通道带宽为2 0 0 m h z ，最大存储 深度为8 k b y t e 。本款示波器的主要功能有自动设置功能，数学运算功能，光标与 3 电子科技大学硕士学位论文 自动测量功能，波形设置存储功能，峰值检测功能等，并设计了多语言界面便于 用户操作。主要技术指标和功能如下所述。 垂直分辨率：8 b i t s ； 带宽：2 0 0 m h z ； 垂直灵敏度范围： ( 1 m q 输入阻抗) 5 m v d i v 一5 v d i v ( 1 - 2 5 步进) ( 在输 入b n c 处) ； 扫描范围：5 n s d i v 2 0 n s d i v ( 随机或插值) ； 5 0 n s d i v - - 一2 0 m s d i v ( 实时( 非s c a n ) ) ； 5 0 m s d i v 5 0 s d i v( s c a n ) ： 最高采样率：单通道2 g s a s 、双通道1 g s a s ，四通道可以看作2 个双 通道： 存储深度： 最高采样率下的最大存储深度：不小于6 k b y t e 每通道； 触发特性： 触发方式有自动，正常，和单次，有多种触发源，具有 预触发功能； a c q u i r e 方式：有正常采样、峰值检测、平均和包络四种采样方式； 存储回调功能：在存储菜单中可以选择将屏幕上显示的波形或当前参数 存储起来到某一内存区域；在回调菜单中可以选择将存储 介质中保存的波形或参数回调出来显示到屏幕上。 1 3 2 设计任务 本文所讨论的是四通道数字存储示波器的软件模块的设计及实现。示波器的 软件模块主要有以下几个：数据采集触发模块、数据处理模块、测量模块、显示 模块、存储模块等。 本文主要介绍以下几个模块的设计方法： 显示模块：本示波器采用l c d 显示屏显示，所以首先讨论了液晶屏的驱动方 式以及显存的存取方式，随后为图形化界面，包括字符和菜单的显示，最后为波 形的多种显示方式。 数据处理模块：主要提供了对波形数据的多种进一步处理的方式。包括输入 信号的二元数学运算、f f t 运算和滤波功能，输入信号的通过失败测试以及波形 的录制和回放。 存储模块：在本示波器中有f l a s h 、u s b 和1 2 c 等多种数据存储方式，本文主 4 第一章前言 要介绍了1 2 c 存储方式的设计方法。 文章最后，还讨论了双时基功能的设计方法。双时基是一种新的波形采集及 显示方法。在两个不同的时基档位下采集同一个信号数据并同时显示。这种方式 可以令用户更好地观察波形的细节。 对于软件设计来说，算法是最重要的环节，计算机求解一个工程问题的计算 速度与精度不仅仅与计算机的设备水平有关，更取决于求解该问题的算法技术水 平的高低。所以本文在讨论设计方法时，对于实现算法的介绍占了很大的篇幅。 只有有了一个好的算法，才能更快速、精确、稳定地实现各个功能。 示波器的软件是基于硬件设计基础之上的，而不是纯粹的上位机软件，所以 某些模块，某些功能的设计方法要包括硬件设备的驱动方法，协议的实现方法等。 在设计方法的实现上，在每个模块内部均利用c + + 中类的思想一面向对象，使 用c 语言的结构体和函数指针来进行封装，然后由编程人员向外界提供统一的接 口，屏蔽掉外晃对数据的访问，以便其他程序员调用。这样整个程序的功能一目 了然，大大方便了以后的修改和移植。且模块控制程序之间应具有相当的独立性， 以确保以后增加或删减模块功能时对d s p 主控制器的程序改动降为最小。 程序基本上是在d s p 的i d e 中使用c 语言来实现每个软件模块的，底层驱动 由于需要快速的执行速度，而且逻辑较简单，所以采用c 加汇编的方式。 软件代码不仅仅是只要实现具体功能就行了，还要有可维护性，所以在编写 代码时，要注意代码的可读性，使以后进行代码维护的人可以更好地理解和修改 程序。 最后开发以及测试人员对整个软件系统进行测试，并不断对代码进行优化， 使本数字存储示波器满足性能指标要求。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章四通道数字存储示波器总体设计 本章主要介绍了四通道数字存储示波器的系统总体硬件结构和总体软件设计 流程。软件设计是基于硬件平台的，只有有了硬件的支持，软件程序才能有发挥 的空间。同样，软件结构的合理和优化可以使硬件发挥更大的作用。软件总体流 程分为初始化和循环体两个部分。示波器上电后先经过初始化，然后就进入了循 环中，检测用户是否按了按键，若按键的话，就根据程序改变当前的状态。程序 设计语言主要采用c 语言，底层驱动程序采用了c 加汇编。主要采用了面向对象 的方式来实现代码的可读性和可移植性，对软件的调试和升级都有很大帮助。最 后，介绍了软件开发平台。本文的软件程序是在a d s p b f 5 3 1 嵌入式数字处理器 上，在a d i 公司的v i s u a ld s p + + 5 0 集成开发环境中进行开发的。 2 1 系统总体结构 _ 信号一一控制命令殴二数据线 二今地址线 图2 - 1 系统总体硬件框图 6 第二章四通道数字存储示波器总体设计 图2 1 所示为系统总体结构框图。2 g s p s 四通道数字存储示波器系统设计采 用了f p g a + d s p 结构。f p g a 主要用于数据的接收缓存，以及工作模式的控制。 d s p 强大的数据处理功能决定了它在数据处理系统核心的地位。它不仅要控制 f p g a 和处理从f p g a 获得的数据，和f p g a 共同实现采集、触发等功能，还要 控制一系列存储芯片，包括s d r a m ，f l a s h ，1 2 c 存储器，从这些存储器中读 写数据，此外，d s p 还要用p p i 口驱动液晶，完成对液晶显示的控制。 四通道数字存储示波器的输入对应4 路模拟信号，在4 路信号分别进行通道 调理后，通道1 和2 进入a d l ，通道3 和4 进入a d 2 ，分别将模拟信号转变成数 字信号，进行信号采集。触发信号不进入a d ，而是进入触发通道，产生方波， 送入f p g a 中。采集到的数字信号送入f p g a 的f i f o 中进行缓存，然后经过f p g a 和d s p 分别进行处理后存入s d r a m 中，信号中需要显示的部分通过p p i 接口送 到l c d 显示。存储介质还有f l a s h 和1 2 c 。f l a s h 是非易失性存储器，可以重复进 行读写，在本设计中，f l a s h 主要存储的是主程序代码、字库、开机画面和用户 需要保存的波形、设置等，当用户需要时就从f l a s h 中读取到d s p 中进行处理。 1 2 c 存储器件为4 k 位的非易失性铁电随机存储器，主要用于存储示波器的主要设 置信息和菜单信息。 如上所述为示波器的工作流程，从中可以看出，以下四个部分为2 g s p s 四通 道数字存储示波器的核心： 1 四通道模拟信号的高速采集过程。 2 对采集信号的缓存和预处理。这是由f p g a 来实现的。 3 d s p 对原始采集数据、显示数据、扩展数据的处理。 4 d s p 对数据的存储及显示的实现。 实现以上四个功能的硬件设计还不足以完全实现整个数字存储示波器的设计 工作，还需要一套相适应的软件与之配合工作。 2 2 系统总体软件设计 2 2 1 软件系统的模块划分 本文介绍的四通道数字存储示波器由于功能强大，所以软件内容也非常庞大。 为了更有效地实现示波器的各个功能，软件进行了模块的划分。每个模块负责不 同的功能，然后通过在主程序中调用每个模块的接口函数将整个系统综合起来。 7 电子科技大学硕士学位论文 一般来说，包括以下几个模块：初始化模块、底层硬件驱动模块、垂直偏转系统 模块、数据采集模块、水平系统模块、触发系统模块、存储模块、显示模块、数 据处理模块、测量模块等。下面分别介绍这些模块。 初始化模块 d s p 中的程序在系统上电后需要进行一系列的初始化。如硬件的初始化，显 示启动界面，软件的初始化，从f l a s h 芯片里面读出字库、通道校正数据、开 机画面，从1 2 c 存储器件中读出上次关机时的设置等等，具体初始化的步骤如图 2 2 所示。 开始 s d r a m 初始化 i d s p 寄存器 初始化 _ _ _ _ 。_ _ - _ _ - - 。- - _ _ 童 显示启动 界面 _ 。- 。 土 硬件部件 初始化 初始化 f l a s h _ _ - - - 。- 。- _ _ _ _ - _ _ _ - 一 生 初始化配置 与菜单状态 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 童一 回调通道校 准数据 进入循环体 ( 、 竺量 ) 图2 - 2 软件初始化流程 底层硬件驱动模块 实现实时时钟、频率计的硬件设计：初始化b f 5 3 1 的u a r t 、g p i o 、p p i 、 内核时钟、中断等；初始化s d r a m 、a d 和d a 。 垂直偏转系统模块 垂直系统的硬件控制；垂直系统硬件电压调整；获取垂直通道单位；垂直偏 转调节方式；获取垂直通道偏转值；获取垂直通道放大倍数；显示垂直系统状态； 实时存储垂直系统状态等。 数据采集模块 初始化采集系统；初始化f i f o 以及在5 0 0 m s p s 、1 g s p s 和2 g s p s 下从f i f o 中读取数据的方式；数据抽取和插值的方式；各种采集方式的处理；保存、更新 第二章四通道数字存储示波器总体设计 采集系统状态。 水平系统模块 获取水平时基和触发深度；控制水平系统；显示水平系统状态；实时存储水 平系统状态。 触发系统模块 获取触发电平；控制触发系统：显示触发系统状态；实时存储触发系统状态； 触发系统硬件控制；触发系统硬件电压调整。 存储模块 示波器中用到的存储方式有f l a s h 、1 2 c 、u s b 等存储方式。f l a s h 中主要存 储厂家设置、波形、设置、系统信息和字库等。1 2 c 中主要存储示波器的系统配 置信息和菜单状态信息。u s b 可以存储波形、设置和位图。 显示模块 界面的整体布局，菜单和字库。此模块在第三章会详细介绍。 数据处理模块 数学运算、通过失败测试和波形录制回放。此模块在第四章会详细介绍。 测量模块 自动测量和手动测量，手动测量即光标测量。自动测量可以测量多达2 7 个参 数，并配有形象的指示图。 2 2 2 软件总体流程 d s p 软件程序在开机初始化以后，就进入了循环体。在循环体中，系统不停 查询按键是否按下。用户按下示波器按键即产生中断，随后中断服务程序会将键 码传递到主程序中，主程序接收到键码后，便会根据键码更改示波器的状态。 f p g a 程序会根据示波器目前的设置参数对数据进行采集，将采集到的波形数据 送入原始数据缓冲区。若用户选择了参考波形，采集到的波形数据和存储介质中 的波形数据将一起被送入原始数据缓冲区。若需要进行数学运算，则再将通道和 存储介质中的原始波形数据进行数学运算，放入数学缓冲区。然后进行抽点和时 域处理，将处理好的波形数据送入显示缓冲区显示。此时还可以通过光标和参数 测量等功能对数据进行分析，更加深入地了解信号的各种信息。在一次循环完成 之后，系统再一次查询按键是否按下，若没有接收到键码的话，则示波器的状态 不会改变。若接收到键码，则根据上文提到的过程再进行数据的处理。 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 3 即为系统总体软件设计流程图。 l 系鬻化l i f 键盘 - 响鬟翟户 一 镑y 上上1 数据采集 回调篙i l f f t 运算时域运算 处理 2 l上j 肿b 渤 l m b 。a 鼢t h l 嚣；：舞l r f f ，r 舴，i f m l i 一一一一一i 原始敷据缓冲区 1 1 时鬻和抽寿 m a t h c 甜ts - m p k f f f ts a m p l c g c h 2s | l r e f ls a m p l e s s a m p l e s c h ：h m k r e f 2s a m p l e s c h 4s - m i m 显示敷据缓冲区 0 l 波形和状态l 显示 l l 数据分析l 2 3 软件开发平台 图2 3 软件总体流程图 程序设计离不开软件平台的支持，是否能有效的利用软件平台来进行开发， 对程序自身性能的好坏有着巨大的影响。本文的软件是利用a d i 公司的v i s u a l d s p + + 5 0 集成开发环境，在a d s p b f 5 31 嵌入式数字处理器上进行开发的。 1 0 2 3 1a d s p b f 5 31 数字处理器介绍 a d s p b f 5 3 1 处理器是b l a c k f m 系列产品的成员，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 i c r os i g n a la r c h i t e c t u r e ) ( m s a ) 。b l a c k f m 处理器这种体系结构将 d u a l m a c 信号处理引擎，简洁的r i s c 式微处理器指令集的优点，以及单指令 多数据( s l m d ) 多媒体能力结合起来，形成了一套独特的指令集结构。 通过集成业界领先和丰富的系统外设及存储器，b l a c k _ f i n 处理器系列成为下 一代需要将r i s c 式编程、多媒体支持和前沿的信号处理等功能集成在单个封装 内的选择平台。 b l a c k f m 处理器系列具有世界领先的功率管理和性能。b l a c k f i n 处理器采用 低功耗和低电压的设计方法，具有动态功率管理的特点，即通过改变工作电压和 频率来大大降低总功耗。与仅改变工作频率相比，既改变电压又改变频率能够使 总功耗明显减少。对于便携式应用来说，这相当于延长了电池的寿命。 2 3 1 1a d s p b f 5 3 1 数字处理器存储器结构 a ds p b f 5 3 3m e m o r ym a p c o r e m m r r s 丫s 1 e mm m r - r e s e r v e d s c r a t c h p a ds r a m r e s e r v e d l n s t r u c t l 0 ns r a m ，c a c h e i n s t r u c t l 0 ns r a m f n s t r u c t i d ns 只a m - l _ - i n s l r u ct 1 0 ns r a m r e s e r v e d d 矗彳ab a n kb8 r a 船，c a c h e d a l ab a n kbs r a 聃 r e s e r v e o d a t 8 a n kas r a 瑚i ，c a c h e d a t ab a n k as r a m - _ _ _ r e s e r v e d r e s e r v e d a s y n c8 a n k3 a s y n cb a n k2 _ _ - a s y n c b a n k l a s y n cb a n ko l _ _ f e s e r v e d s d r a m 图2 4 a d s p b f 5 3 1 存储分布图 e x 下e 定n a l m e 赫o r y 电子科技大学硕士学位论文 数字存储示波器具备许多存储设备和i o 接口，因此系统的内存空间和i o 地 址的分配对软件性能的影响显得尤为重要，a d s p b f 5 3 1 的存储分布如图2 4 所 示。 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 地址空间，使用 3 2 位地址。所有的资源，包括内部存储器、外部存储器和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。为提供高的性能价格比，此地址空间的各 部分存储器按分级结构排列。一些非常快速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或 s 洲) 的位置非常接近处理器，而更大的低成本、低性能的存储器远离处理器。 l 1 存储器是b l a c k f m 处理器内核中性能最高的存储器。通过外部总线接口单 元( e b i u ) ，片外存储器可以由s d r a m 、f l a s h 和s r a m 进行扩展，可以访问 多达1 3 2 m b y t e s 的物理存储器。 存储器d m a 控制器有高带宽的数据传输能力，它能够在内部存储器和外部 存储器之间完成代码或数据的块传输。 1 内部( 片内) 存储器： a d s p b f 5 3 1 2 3 处理器有3 块片内存储器，提供到内核的高带宽的访问。 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1 6 k b y t e s 可以配置成一个c a c h e 。l 1 指令存储器以处理器的最快速度访问。 第2 块是l l 数据存储器，包括两个3 2 k _ b y t e s 的b a n k 。每个b a n k 都可配置 为c a c h e 或s r a m 。此存储器也以全速访问。 第3 块是一个4 k b y t e s 的s r a m ，它和l 1 存储器有相同的运行速度，但是 只能作为数据s r a m ，不能配置为c a c h e 。 2 外部( 片外) 存储器 外部总线接口单元( e b i u ) 既可以用于异步设备( 例如：f l a s h 、e p r o m 、 r o m 、s r a m 和存储器映射i o 设备) 也可以用于同步设备( 例如：s d r a m ) 。 它们的总线宽度均为1 6 位。8 位的外围设备像1 6 位设备一样分配1 6 位地址，但 只使用其低8 位数据。 s d r a m 内部最高可以配有4 个b a n k ，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 同时打开一个通道，从而提高系绕i 生能。 异步存储器的控制器也能够通过编程控制多达4 个b a n k 的各种异步存储设 备。无论设备的大小如何，每个b a n k 的空间都占据1 m b y t e 。只有4 个1 m b y t e 的存储器全部装满时地址空间才能连续。 3 i o 存储器空间 1 2 第二章四通道数字存储示波器总体设计 b l a c k f m 处理器没有独立的i o 空间，所有资源都被映射到统一的3 2 位地址 空间上。片上i o 设备的控制寄存器被映射到靠近4 g b y t e 地址空间顶端的存储器 映射寄存器( m m r ) 地址范围内。这个地址空间又被划分为两个部分，一部分包含 完成所有内核功能的控制m m r ，另一部分包含用于设置和控制内核以外的片内 外设的寄存器。m m r 仅在管理员模式下可被访问，并且被看作是片内外设的保 留空间。 本软件中我们将外部存储器16 m b y t e 的s d r a m 直接映射到d s p 从0 x 0 0 0 0 0 0 0 4 开始到0 x 0 0 f ff f f f 的地址空间。而从0 x 2 0 0 00 0 0 0 开始的4 m 异步存储空 间，我们将其分为四部分：其中b a n k 0 映射为f l a s h 的存储空间，b a n k 2 为i o 地址空间。 2 3 1 2a d s p b f 5 3 1 数字处理器外设 a d s p b f 5 3 1 处理器包含丰富的外设，通过不同的高速宽带总线与内核相连， 使系统不但配置灵活并有极好的性能。通用外设包括u a r t 、带有p w m ( 脉冲 宽度调制) 和脉冲测量能力的定时器、通用的i o 标志引脚、一个实时时钟和一 个看门狗定时器等。这些外设满足了一般系统的基本需求，并且通过它们增强系 统的扩充能力。除了这些通用的外设，a d s p b f 5 3 1 处理器还包含了用于各种音 频、视频和调制、解调功能的高速串行和并行端口、一个可以灵活地管理片内外 设和外部信源的中断事件处理器以及可根据不同的应用来配置系统性能和功耗的 功率管理控制功能【6 】【7 】。 本论文主要用到了b f 5 3 1 的p p i 接口以及g p i o 口。 a d s p b f 5 3 1 处理器提供可直接与并行a d 和d a 转换器、i t ur 6 0 1 6 5 6 视 频编码和解码器以及其它通用外设连接的并行接口p p i 。p p i 包括一个专用时钟引 脚，多达3 个帧同步引脚和多达1 6 个数据引脚。输入时钟支持系统时钟一半的并 行数据传输率。在i t u r 6 5 6 模式下，p p i 接收并分析8 或1 0 位视频数据流。此 外，片内还支持嵌入的控制和同步信息的解码。 a d s p b f 5 3 1 处理器有1 6 个双向的通用可编程i o 引脚( p f l 5 o ) ，每一个可 编程引脚都能通过操作标志控制寄存器、标志状态寄存器和标志中断寄存器被独 立控制l 7 1 。 2 3 2v i s u a ld s p + + 软件编程环境 a d i 公司提供了一套完整的a d s p b f 5 3l 2 3 处理器软硬件开发工具，包括 1 3 电子科技大学硕士学也论文 仿真器和v i s u a ld s p 十+ 开发环境。仿真器能够对a d s p - b f 5 3 1 2 3 处理器实现全 仿真，还支持对其它b l a e k f i n 处理器芯片的仿真。v i s u a ld s p + + 是a d i 公司针对 b l a e k f i n 系列处理器的开发环境。其主要结构包括集成了v i s u a ld s p + _ 内核的集 成编译和调试环境o d d e ) 、带实时运行库的c ，c + + 优化编译器、汇编器和链接器、 仿真软件和程序例程。 在v i s u a ld s p - + 开发环境中软件开发人员可以对工程进行高效地管理，方便 地对程序进行编辑、编译连接，仿真调试等。编译器能有效地将c c + + 代码转换 为b l a e l d i n 处理器的汇编代码。v i s u a ld s p + + 开发环境灵活的绘图功能使数据更 加清晰，这种用图形表示的方式使编程者可以快速地确定算法的性能，使软件开 发者不用中断程序就可以得到重要代码的执行情况，从而在本质上直观地评估软 件，找到软件性能和效率的瓶颈，集中修改这些影响程序性能的地方。 v i s u a ld s p + + 同时支持c c 抖和汇编语言。汇编语言与硬件结合紧密，指令 代码短，占用内存少，适合运算速度要求高的场合。而c c h 基本脱离硬件，可 读性和可移植性强，开发效率高。将汇编语言和c c 抖结合起来，发挥两种编程 方法的优势，可写出可移植性强，执行效率高的d s p 应用程序“j 。 v i s u a ld s p 为程序设计人员提供了一个强有力的交叉编程工具，它具有很 强的灵活性，能大大减少将软件代码传送到d s p 所需要的时间，加快了软件开发 周期。利用v i s u a ld s p + + 进行软件开发的流程如图2 5 所示例。 哩 陬r u n 。- t i ，m 。i l = ：= 2 i 图2 - 5v i s u e dd s p 抖的软件开发流程 第三章人机交互界面设计 第三章人机交互界面设计 液晶屏显示是示波器设计的一个重要部分，输入信号经过模数转换、数据采 集和处理，最终通过液晶屏显示出来给用户观看。此外，图形化界面是用户与示 波器的直接接触，用户了解示波器首先是从它的图形化界面开始的。本章首先介 绍了示波器的液晶屏的驱动方式，然后介绍了图形化界面的设计方法和波形的各 种显示方式。 3 1p p i 驱动 在本文介绍的四通道数字存储示波器中，液晶显示屏是通过d s p 的p p i 接口 驱动的。相比于用f p g a 来驱动液晶屏，利用d s p 中的p p i 大大简化了示波器的 硬件设计，节约了成本，给f p g a 留出了更多的逻辑单元与i o 口。而且示波器 从波形采集数据的处理到波形显示，整个流程均由d s p 来进行控制的话，在修改 和移植上都十分的方便。 3 1 1p p i 驱动的原理 本设计采用的是彩色l c d 液晶显示屏，使用d s p 的p p i 接口驱动，需要向 l c d 提供点时钟、行频、场频、数据有效信号和2 4 位输入数据。 本课题采用的液晶屏为3 2 0 2 4 0 像素，即液晶屏是由一个3 2 0 2 4 0 的大点 阵构成的，共有3 2 0 行，2 4 0 列。 d s p 的p p i 接口包括1 个p p i 时钟线，1 6 根数据线，3 个帧同步引脚。其中 p p i 时钟由f p g a 发出，这个时钟是由液晶的点时钟决定的，所谓点时钟是指液 晶屏上打一个点的时间，也就是p p i 时钟由液晶每秒刷多少个点决定。这根时钟 线同时也接到液晶的时钟线上。 帧同步引脚是用来控制数据发送时序的，根据本示波器使用的液晶资料，我 们只需使用两个帧同步引脚，分别用来向液晶发送行频和场频，其频率由液晶手 册上给出，我们需要配置d s p 上的两个定时器来保证它发出正确的频率【1 0 】。图 3 1 是液晶中行、场频的时序图。 电子科技大学硕士学位论文 v s y n c 厂 哪n c 厂 广 厂 厂_ 厂 厂 螨眦 厂= 卜婴一一卜 图3 - 1l c d 显示屏行、场频时序图 液晶还需要一个数据有效信号d e ，这个信号将决定在液晶刷一行数据的周期 内，数据的有效时间段。因此，d e 信号与行频，场频和点时钟有严格的时序要 求。所以需要按照液晶资料上的时序要求，先将行频，场频线引入f p g a ，以需 要的时序要求产生正确的d e 信号，再一起发送给液晶。 图3 2 即为p p i 驱动液晶的示意图： 图3 - 2 液晶驱动示意图 本示波器中使用的是2 4 位彩色液晶屏，红、黄、蓝分别需要有8 位数据输入。 但是p p i 输出的数据引脚只有1 6 位。为了使液晶实际显示与程序代码设置之间不 1 6 第三章人机交互界面设计 致有太大差别，我们将红，绿，蓝分别取5 根，6 根，5 根线，然后将剩下的8 根线一直置高以避免干扰，液晶的色彩线与p p i 输出的1 6 根数据线相连，形成 r g b 5 6 5 色彩显示模式。此种显示模式的效果与真实色彩几乎没有差别。 3 1 2p p i 驱动的软件实现 b f 5 31 数字处理器有一个并行的外设接口( p p i ) ，它允许每一个p p i 时钟到 来时接收或传输多达1 6 位的数据。通过p p i 接口，a d s p b f 5 3 1 对所有的t f tl c d 面板提供了一个可以接收r g b 数据输入的接口【l l 】。 p p i 的驱动主要包括p p i 的设置、d m a 的设置和t i m e r 的设置三个部分。 3 1 2 1p p i 的设置 p p i 给l c d 提供了一个并口，使d s p 和l c d 之间可以更加容易相连。p p l 支持两种运行模式：i t u r6 5 6 和g p ( g e n e