（信号与信息处理专业论文）数字荧光示波器监控软件关键技术的研究与开发.pdf

摘要 摘要 数字荧光示波器监控软件关键技术 的研究与开发 数字荧光示波器( d p o ，d i g i t a lp h o s p h o ro 则o s c r o p e ) 是最新一代的示波器，具有实时地捕获、 存储、显示和分析波形的功能。它集第一代模拟示波器和第二代数字存储示波器的优点子一身，既 有数字存储示波器的信号存储、波形分析及预触发的功能，又有模拟示波器的实时捕获和荧光显示 的特性。 监控软件是d p o 系统的核心控制部分，主要完成响应面板操作、实现人机交互、控制模拟通道 和信号的采集存储、进行波形显示和波形数据的分析、处理等功能。本论文的任务就是研究、开发 d p o 系统的监控软件及关键技术。 论文首先介绍了数字荧光示波器的工作原理和技术特点。根据项目的需求分析，给出了d p o 系 统的总体设计方案，介绍了监控软件开发的硬件平台和软件平台。接下来根据监控软件的需求分析， 设计了监控软件的开发方案，并分析了实现的关键和难点技术。论文重点对监控软件开发的技术难 点复杂的数据通信和多样化的显示作了详细、深入地分析和阐述。针对数据通信模块中f p g a 和a r m 之间复杂、大量的数据传送，分析并给出了中断和d m a 的传送方案和实现结果，解决了 f p g a 和a r m 之间多种类型数据通信和大批量数据传输的难题。针对数据显示模块中多样化信息的 屏幕显示，提出了显示信息分层叠加的方法，并详细阐述了“像素叠加显示”和“g u i 函数叠加显 示的方法和实现方案。测试结果表明，分层叠加显示方法可以得到良好的波形显示效果和较高的 波形刷新率。论文最后对所做工作进行了总结，展示了监控软件的实现成果，并提出了下一步的工 作内容。 论文研究、开发的监控软件已成功地应用于d p o 系统样机中，系统功能齐全、性能稳定。实 践证明，该监控软件及关键技术的解决方案能够满足d p o 系统的功能需求，达到了预定的技术指标。 关键词数字荧光示波器监控软件$ 3 c 2 4 1 0l i n u xm i n i g u l a b s t r a e t a b s t r a c t d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ( d p o ) i st h el a t e s tg e n e r a t i o no fo s c i l l o s c o p e ，w h i c hi sae q u i p m e n t o fr e a l - t i m ec a p t u r e ，s t o r a g e ，w a v e f o r md i s p l a ya n da n a l y s i s d p oc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so f a r i d ( a n a l o gr e a lt u n eo s c i l l o s c o p e ) a n dd s o i g j 【t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) i th a sb o t ho ft h e a d v a n t a g e so fd s o ( s i g n a ls t o r a g e ，a n a l y s i sa n dp r e - t r i g g e rd i s p l a yf u n c t i o n ) a n dt h ea d v a n t a g e so fa r t o ( r e a l - t i m ec a p t u r ea n dd i s p l a yc h a r a c t e r i s t i c s ) m o n i t o r i n gs o f t w a r ei st h ec o r eo fc o n t r o li nd p os y s t e m i th a st h ef u n c t i o n so fr e s p o n d i n gt h e k e y b o a r do p e r a t i o n , h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，c o n t r o lt h ea n a l o gc h a n n e la n dt h es i g n a la c q u i s i t i o n , d i s p l a yt h ew a v e f o r ma n dp r o c e s st h ed a t ao ft h ew a v e f o r m t h et a s ko ft h i st h e s i si st or e s e a r c ha n d d e v e l o pm o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dk e yt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fd p oa r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e nt h ed e s i g ns c h e m e o fd p os y s t e ma n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r ma r ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t a n a l y s i so ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e ，t h ed e s i g ns c h e m eo fm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e p a r t i t i o no ft h et h r e a d s ，t h es y n c h r o n i z a t i o no ft h et h r e a d sa n ds oo n t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s e a r c ho f t h e k e yt e c h o n o l o g i e s ，i n c l u d ec o m p l e xd a t at r a n s m i s s i o na n dv a r i o u si n f o r m a t i o nd i s p l a y t ot h ek e yp r o b l e m o fc o m p l e xa n dv a s td a t at r a n s m i s s i o n ，t h ei n t e r r u p ta n dd m at r a n s m i s s i o nm e t h o d sa 他p r o p o s e da n d i l l u s t r a t e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h et w om e t h o d ss o l v e dt h et r a n s m i s s i o np r o b l e mo fv a r i o u st y p e so f d a t aa n dv a s td a t ab e t w e e na r ma n df p g a t ot h ea n o t h e rk e yp r o b l e mo fv a r i o u si n f o r m a t i o n d i s p l a y ，t h em e t h o do fm u l t i l a y e r sc o m b i n a t i o n i sp r o p o s e d t h em e t h o d sa n dr e a l i z a t i o n so f m u l t i l a y e r s c o m b i n a t i o nd i s p l a yb a s e do np i x e l a n d m u l t i l a y e r sc o m b i n a t i o nd i s p l a yb a s e do ng u i a r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c to fw a v e f o r md i s p l a yi s9 0 0 da n dt h eu p d a t er a t eo fw a v e f o r mi s f a s tb yu s i n gt h e s em e t h o d s f i n a l l yt h ew o r ko ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e d ，t h ep r o d u c t i o no fd p o m o n i t o r i n gs o f t w a r e i sd i s p l a y e d , a n dt h ew o r ko fn e x td e v e l o p m e n tp h a s ea r ed i s c u s s e d , t o o t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nd p op r o t o t y p e a n dt h ed p os y s t e mw o r k s w e l l t h ep r a c t i c e ss h o w st h a tt h er e s e a r c hr e s u l t sa n ds o l u t i o n si nt h ep a p e rc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so f d p o s y s t e m k e yw o r d s ：d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ，m o n i t o r i n gs o f t w a r e ，$ 3 c 2 4 1 0 ，l i n u x , m i n i g u i i l 缩略语表 缩略语表 a d c ：a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器 a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s a r t o ：a n a l o gr e a l - t i m eo s c i l l o s c o p e 模拟实时示波器 a s i c ：a p p l i c a f i o ns p e c i f i ci n t e r g r a t e dc i r c u i t s 专用集成电路 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制器局域网 d d r 2 ：d o u b l ed a t ar a t e2 第二代双数据速率 d m a ：d i r e c tm e m o r ya c c e s s 直接内存存取 d p o ：d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s 数字荧光示波器 d s o ：d 浮t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 数字存储示波器 f p g a ：h e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 g a l ：g r a p h i c sa p p l i c a t i o nl a y e r 图形应用层 g d i ：g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e 图形设备接口 g u i ：g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e 图形用户接口 i a l i n t e r f a c ea p p l i c a t i o nl a y e r 接口应用层 i i c ：i n t e r - - i n t e g r a t e dc i r c u i t 内部集成线路 i i s ：i n t e r - i cs o u n db u s 串行数字音频 j t a g ：j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 联合测试行动小组 l a n ：l o c a la e r an e t w o r k 局域网接口 l c d ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示器 m m u ：m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 存储器管理单元 r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机 s d r a m ：s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 同步动态随机存取内存 s p i ：s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围接口 1 1 盯：n i nf i l mt r a n s i s t o r 薄膜场效应晶体管 u s b ：u n i v e r s a ls e f i a lb u s 通用串行总线 u a r t ：u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用非同步收发传输器 v g a ：v i d e og r a p h i c sa r r a y 视频图形阵列 v m a ：v i r t u a lm e m o r ya r e a 虚拟内存区 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意 撇生张抛蟮魄趔丛一 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：删导师签名志丛墨日期：2 1 呈2 ：1 第一章绪论 第一章绪论 示波器是工程技术人员在科研工作中最常用到的一种电子测量仪器近年来，随着电子技术的 高速发展，高速、精密的数字设计和复杂的调制方法对观测波形的示波器提出了更高的挑战。数字 荧光示波器( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e ，d p o ) 就是在这种背景下孕育而生的最新一代示波器。 1 1 数字荧光示波器 示波器的发展经历了第一代模拟实时示波器( a n a l o gr e a lt i m eo s c i l l o s c o p e ，a r t o ) 和第二代 数字存储示波器( d i g i t a ls t r o a g eo s i l l o s c o p e ，d s o ) 。数字荧光示波器是在数字存储示波器的基础上 发展起来的，它采用专门的数字荧光处理硬件电路来产生类似于模拟实时示波器的亮度渐次变化的 荧光显示效果，故称之为数字荧光示波器。 数字荧光示波器结合了模拟实时示波器和数字存储不敬器明优点，个仪具有数字存储示波器的 波形存储、波形分析、高级触发等各种优点，同时还具有模拟实时示波器的实时显示和亮度渐次变 化的荧光显示的特性，是最新一代( 即第三代) 示波器。 1 1 1 数字荧光示波器技术的突破 数字存储示波器的出现曾让许多工程师兴奋不已，并迅速取代了模式实时示波器，成为工程师 首选的测量仪器之一。然而，在许多工程师的工作台上仍然会出现数字存储示波器和模拟实时示波 器共用的场面。之所以出现这种现象，主要是由于这两种示波器各有彼此不具备的特长。 数字存储示波器可提供波形存储、波形分析、自动测量以及复杂触发的功能，但是不具备模拟 实时示波器那种高速的波形捕获能力和亮度渐次变化的荧光显示效果；另一方面模拟实时示波器也 缺乏数字存储示波器的波形存储、分析能力和复杂的触发功能。 正是基于这种原因，d p o 在数字存储示波器的基础上进行了以下两方丽的技术突破：( 1 ) 快速 的波形捕获速率；( 2 ) 数字荧光显示方式。这些技术的突破使得d p o 不仅兼有模拟和数字存储两种 示波器的优点，而且在性能上更优于这两种示波器。 ( 1 ) 快速的波形捕获速率 波形捕获速率是指示波器每秒采集、显示的波形帧数。 数字存储示波器的自动测量、波形存储和分析功能，受到了很多工程师的青睐。然而由于数字 存储示波器波形捕获速率低下，导致出现无法克服的混叠失真的问题，这让工程师不得不同时使用 模拟实时示波器，这就是出现模拟和数字存储示波器共用现象的主要原因。 东南大学硕士学位论文 d s o 波形捕获率低下，是由其架构决定的。传统的d s o 为串行处理的架构，如图1 1 所示信号 经过调理、采样、存储之后，再由微处理器进行后续的波形数据处理和波形显示d s o 在进行数据 处理和显示期间不再进行任何数据的采集，必须等待波形数据被处理和显示完成之后才能开始新一 轮的采集。d s o 在每两次采集之间存在着因处理数据而无法采集的时间，这段时间就是信号采集的 死区时间( d e a dt i m e ) ，如果在这段时间内有异常信号( 如毛刺、噪声等) ，示波器根本无法检测到。 示波器的死区时间越长，那么波形捕获率就越低。 图1 1 传统d s o 结构框图 d s o 的微处理器是通过软件的方式实现波形数据的处理和显示的，而且微处理器同时还要进行 键盘命令的扫描处理、数据的运算分析、外围接口控制等其它工作。因此，传统d s o 处理一帧的时 间较长，即d s o 具有较长的死区时间，这就导致了其低下的波形捕获率。传统d s o 的波形捕获率最 高为每秒几百个到上千个波形f 1 】 要提高波形捕获率，提高捕获偶发异常信号的概率，只有减少波形处理、显示的时间( 即死区 时间) 。为此，d p o 在结构上进行了重大的改进：采用了一种并行的处理架构，加入专用的波形成像 处理器( 用a s i c 或f p g a 实现) 进行数据的处理和显示。在数据采集的同时，波形成像处理器将采 集数据快速地转换为具有荧光效果的波形图像；而微处理器仅需与波形成像处理器并行完成显示控 制、绘制菜单界面等工作。d p o 结构框图如图1 2 所示。 图1 - 2d p o 结构框图 从图1 2 可以看出，d p o 将显示单元( 波形成像处理器) 和数据处理单元( 微处理器) 形成并行 2 第一章绪论 的结构。采用完全由硬件电路实现的( 高速f p g a s 或a s i c ) 波形成像处理器专职负责将采集数据“高 速”处理为具有荧光效果的波形图像，不再受限于微处理器对数据的。低速”处理，从而显著缩短 了系统的死区时间，使得波形的捕获率有了质的提高。目前，寨克公司的一敖数字荧光示波器( 型 号d p 0 4 1 0 4 ) 的波形捕获率可达3 5 伽。帧，s 【q ，这种捕获率是传统d s o 捕获辜的几十倍甚至上百倍。 d p o 的快速波形捕获速率使得用户能够昂大限度地洞察信号活动，提高了发现瞬态信号问题的概率， 如欠幅脉冲、毛刺和跳变错误等。 另一个方面，微处理器从显示管理任务中解放出来，仅需与波形成像处理器并行完成显示控制、 键盘命令的扫描和波形数据分析处理等工作，从而也显著提高：d p o 对波形数据的分析处理能力 ( 2 1 数字荧光显示方式 d p o 在技术上另一个重大的突破体现在波形显示技术上。 图1 - 3 ，1 4 ，1 - 5 分b 给出了a r t o 、d s o 和d p o 显示视频信号的波形图。 图1 - 3 a i c i o 显示的视额信号图1 4d s o 显示的视额信号图1 - 5d p o 显示的视频信号 视频信号是那种具有较多分量的、太周期( 场) 中又包含不同小周期( 行) 的复杂的周期信号。 捕获这种信号需要设定慢时基( 能观测到一场信号) 才能获得整个信号包络的特性， 从国1 0 中可以很清晰地观测到视频信号的整个包络。a r t ( 除了显示信号幅度与时间的关系外 还通过各显示点的亮度反映信号在该点的能量。即信号能量较大的点显示亮度较亮，信号能量较小 的点显示亮度较暗，从而很明显地观测出波形的包络及细节。 与a r t o 不同，d s o 显示的是由采集的波形数据重建的波形投有明暗的显示效果，每次显示 刷新时都会冲掉上一屏的波形信息，不会有多帧波形累积的效果。而且由q ：d s o 设定为慢时基后， 其较慢的采样率和较低的波形捕获率导致采到的波形信息较少而出现显示渡形的混叠失真现象，如 图卜4 所示。 从图1 j 可以看出，d p o 显示的效果十分类似于a r t 0 。d p o 采用数字技术将屏幕上各点信号出 现的概率密度转换为该点显示的亮度值或色彩值( 印信号出现概率密度越高的点显示的亮度或色彩 越亮，信号出现概率密度越低的点显示的亮度或色彩越暗) ，这样模拟出荧光显示的视觉效果。d p o 这种高超的显示能力加上快速的波形捕获速率，使得d p o 具有分析信号任何细节的性能，给观测者 东南大学硕士学位论文 带来了极大的方便。 1 1 2 数字荧光示波器的工作原理 d p o 的组成结构如图1 - 2 所示，其工作原理为：模拟信号首先经过模拟通道的调理进入模数转换 器( a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) ，a d c 以高速的速率对信号进行采样，并缓存采集到的波形 数据。缓存的波形数据进入波形成像处理器转换为显示的帧图像，并存入图像数据库。波形成像处 理器定时地将帧图像发送给显示系统显示波形，从而实现了“信号数字化图形化显示”这样一种数 字化荧光显示方式。与此同时，微处理器以并行的方式执行监控和数据处理功能【4 j 。 波形成像处理器是d p o 系统的核心。它主要由以下四个部分组成：数字重采样器、数字采样光 栅、可编程数字荧光体和波形读出控制器。如图1 _ 6 所示。 图1 - 6 波形成像处理器组成框图 数字重采样器根据系统的时基档位和采样率对采样数据进行抽点或插值运算；数字采样光栅相 当于模拟示波器示波管的电子枪，而可编程数字荧光体则相当于模拟示波器的荧光屏，这两个模块 实现了波形数据到帧图像的转换，达到模拟荧光显示的效果；波形读出控制器控制系统每隔一定时 间从可编程数字荧光体中读出一帧图像数据，送到显示屏去显示。 数字采样光栅和可编程数字荧光体生成了具有荧光效果的帧图像，这个过程可以分为以下三个 步骤：波形数据到波形图像数据库的地址映射、概率密度的统计和芡光效果的生成。 为了得到帧图像，首先要进行波形数据到波形显示区地址的映射。帧图像是一幅和显示屏的波 形显示区具有同样大小和分辨率的像素图像。它是存储在可编程数字荧光体中的。可编程数字荧光 体实际上是一个二维的动态数据库。数据库的地址单元是与波形显示区的像素点一一对应的。因此 数据库的大小由波形显示区的总像素点确定。假设波形显示区的分辨率为l * w ，即横轴有l 介像素点， 纵轴有w 个像素点，那么数据库应有l 串w 个单元。横轴对应于时间轴，纵轴对应幅度轴。规定显示 4 第一章绪论 区的左上角对应数据库的起始单元，其后的数据单元按对应屏幕从左到右，从上到下的次序排列。 波形数据到可编程数字荧光体单元的地址映射关系如图1 - 7 所看屏幕上水平方向时间为t ，垂直方 向幅度为v 的波形点对应的数据库单元为p i j o - - t ，j - - v ) 图1 7 波形数据到地址单元映射的示意图 数据库单元里存放的是经数字荧光处理后的波形图像数据。具体的数字荧光处理有以下几个步 骤：首先，统计信号出现在该点的概率密度；然后，将概率密度值转换为对应的亮度值或色彩值。 信号出现概率密度越高的点其亮度值或色彩值越亮，信号出现概率密度越低的点其亮度值或色彩值 越小，这种转换对应关系系统可以设置。另外，每隔一段时间，需要对数字荧光体每个单元进行一 遍消隐操作( 即模拟荧光屏显示的余辉随时间逐步变暗的效果) ，数字荧光体每个单元的值会按照荧 光屏余辉变暗的规律统一减小。这样就形成了具有模拟示波器荧光显示效果的波形图像。 1 2 课题研究的背景 美国的泰克公司、安捷仑公司和力科公司一直是垄断示波器市场的三大厂商。近年来，随着集 成电路技术和数据采样技术的飞速发展，这些厂商不断推出性能优越的示波器产品。 泰克公司在2 0 世纪9 0 年代推出了首款数字荧光示波器，将示波器的发展推向了一个全新的阶段。 一 随后泰克公司不断推出了更高带宽、更高采样率和更高波形捕获率的数字荧光示波器产品。同时安 捷伦和力科公司也加紧研发并推出了功能强大的数字荧光示波器。 目前，数字荧光示波器的市场全部被泰克，安捷伦等国外大公司所垄断。国内示波器厂商还未 推出甚至还未开始研发具有自主知识产权的数字荧光示波器。本课题研究的目的是开发具有自主知 识产权的数字荧光示波器。同时，为开发高性能数字荧光示波器积累理论和实践经验，填补国内数 5 东南大学硕士学位论文 字荧光示波器开发的空白，逐步缩小与国外的差距。 1 3 课题研究的主要内容 本论文研究内容为“研制带宽为2 0 0 m i - i z ，最高实时采样率为1 g s a s 的四通道数字荧光示波器一 项目的一部分，主要完成d p o 系统监控软件关键技术的研究与开发。研究的重点有如下几个方面： ( 1 ) 监控软件开发平台的设计和实现 c 2 ) 嵌入式l i n u x 驱动程序的开发，主要涉及删和f p g 心恿信驱动及其他相关驱动的的设计和 实现 ( 3 ) 为应用程序开发图形用户界面 ( 4 ) 各个功能模块应用程序的开发 监控软件的设计好坏直接影响到示波器的操作使用和测试性能。因此，本课题的研究在数字荧 光示波器的研发中占有很重要的地位。 1 4 论文的结构及内容安排 第一章绪论该章主要论述了数字荧光示波器在技术方面的突破及其工作原理，给出了课题研 究的背景和主要内容。 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台该章首先阐述_ d p o 项目的功能指标，接着介 绍了d p o 系统的总体设计方案，最后从硬件和软件两个方面阐述了监控软件开发的平台。 第三章监控软件的总体设计方案该章节首先给出了监控软件的需求分析，在此基础上分析了 监控软件的关键及难点技术，接着给出了监控软件的设计方案。最后介绍了基于m i n i g u l 的改进型 消息循环架构。 第四章数据通信模块该章介绍的内容是监控软件开发的一大技术难点。首先阐明了数据通信 模块的任务以及难点，分析了各种数据类型传输的方式，给出了数据通信模块的设计方案，最后从 硬件和软件两个角度给出了该设计方案的具体实现。 第五章数据显示模块该章介绍的内容是监控软件开发的另一大技术难点：该章分析了监控软 件数据显示的各种类型，给出了具体的设计方案和难点的解决方法以及最后的实现结果 第六章总结及其展望该章对整个论文工作进行了总结，并提出了下一步工作的展望。 6 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台 监控软件是d p o 系统的核心控制部分。因此，本章首先分析d p o 系统的任务要求，给出系统总 体设计方案。另外，监控软件的的开发是基于一定开发平台基础上的，因此，本章也将阐述开发平 台的基本架构。 2 1d p o 项目任务要求及功能指标 2 1 1d p o 系统的任务要求 d p o 系统的开发要求以低成本设计为原则，实现具有优良的技术性能，丰富的测量分析功能和 较高的技术标准和性能价格比的产品。 2 1 2d p o 功能指标 d p o 系统的具体功能指标为： ( 1 ) 4 输入通道，每通道具有2 0 0 m h z 模拟带宽 ( 2 ) 最高实时采样速率：1 g s 柏每通道 ( 3 ) 每通道记录长度：标配为1 6 m b c h ，选配为2 5 6 m b c h ( 4 ) 波形更新率：最大波形更新率为8 0 0 0 0 帧( 单通道工作) 、2 0 0 0 0 帧( 4 通道同时工作) ( 5 ) 高级触发功能：脉冲宽度、上升厂f 降时间、矮脉冲、建立保持时间违例、逻辑组合、视频触发 ( 回波形数学运算功能：加、减、乘、除、微分、积分 f 7 ) 自动参数测量和光标测量功能 ( 8 ) 频谱分析及参数显示 ( 9 ) 统计分析、直方图显示 ( 1 0 ) i i c 、s p i 、c a n 串行总线触发和数据分析功能 ( 1 1 ) 眼图测量与分析 ( 1 2 ) 多种数字通信接口：u s b ( 主、从) 、l a n 、v g a 接口等 ( 1 3 ) 彩色t f r - i _ l - d 显示屏，分辨率6 4 0x4 8 0 d p o 具有较高的波形捕获率并具有强大的数据分析和处理功能，需要性能较高的处理器和专门 的集成电路并行处理，实现各种功能 7 东南大学硕士学位论文 2 2d p o 总体设计方案 图2 1d p o 总体设计框图 根据项目的需求分析，d p o 系统采用f p g a + a r m 的架构，总体结构设计如图2 - 1 所示，由模拟 通道模块、触发模块、数据采集存储控制模块、数字荧光处理模块、监控处理模块、显示模块、人 机接口模块和l c d 显示模块组成。f p g a 主要实现数据采集存储控制模块、数字荧光处理模块和触发 模块；a r m 主要负责监控处理模块的实现。 d p o 的基本工作原理如下：外界信号通过探头进入模拟通道进行调理后，得到进行取样的模拟 信号和触发脉冲，分别送给数据采集存储控制模块和触发模块；触发模块根据设定的参数对触发脉 冲进行处理后产生触发信号，控制数据采集存储控制模块进行相应的数据采集和存储；数据采集存 储控制模块首先将模拟信号进l 立a d c 进行取样，根据设定的时基参数，将采样后的波形数据进行抽 点缓存，缓存的数据分为两路，一路直接送给数字荧光处理模块，一路送入d d r 2 ( d o u b l ed a t ar a t e 2 ) s d r a m ；数字荧光处理模块以专利一种数字荧光波形图像处理器的实现方法为技术基础， 使用高性能f p g a 实现数字荧光数据( 即帧图像) 的生成，并定时通知监控处理模块将其读取显示； 监控处理模块一方面等待数字荧光处理模块生成一帧的荧光数据，并读取帧图像进行显示，另一方 面监测用户的按键输入，根据相应的按键功能绘制相应的菜单以及修改各个模块中参数，同时根据 需要读取存储于d d r 2s d r a m 中的采样数据进行后续的波形分析处理，最终显示用户所要观测的波 形及测量信息 8 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台 2 3 监控软件开发的平台 监控处理模块是整个系统的枢纽中心，也是本课题研究的主要内容监控软件的关键技术的研 究就是指监控处理模块关键技术的研究。在介绍监控软件实现之前，先介绍一下监控软件开发的平 台，主要分为硬件平台和软件平台。 2 3 1 硬件平台架构 软件开发工作是和底层硬件平台紧密相关的，首先要熟悉位于核心的处理器芯片特点、指令结 构等，其次是硬件平台的控制电路及其外围设备等。 2 3 1 1 删处理器 a r m 的全称；黾a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片。目前a r m 的应用 领域非常广泛，占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。a r m 的发展经历了很多不同的内核 种类，目前流行主要有川r m 7 、a r m 9 、a r m l l 等。 $ 3 c 2 4 1 0 是三星公司生产的基于a r m 体系结构的高性能r i s c 微处理器，是业内应用最广的嵌入 式处理器之一。芯片采用a r m 9 内核，支挣l h u m b 指令集，并含有e m b e d d e d 1 c e 模块，支持片上调 试，通过采用5 级流水线以增加最高时钟速率，使用分开的指令与数据存储端口以改善每条指令的时 钟数。a r m 9 流水线非常紧密，用硬件直接x 寸a r m 指令和t h u m b 指令进行译码，同时也有一个协处 理器接口，允许支持片上浮点协处理器、数字信号处理或其他专业的硬件加速需求嗍。 $ 3 c 2 4 1 0 的主要特性如下： ( 1 ) a r m 9 2 0 t 内核，1 6 3 2 位r i s c 结构 ( 2 ) 片上集成1 6 k 指令高速缓冲存储器，1 6 k 数据高速缓冲存储器 ( 3 ) 采用5 级流水线以增加时钟频率，最高工作时钟频率为2 0 3 m h z ( 4 ) 内含a r m 存储器管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) ，支持w i n c e ，l i n u x 等 操作系统 ( 5 ) 内置丰富的外设接口，包括：控制器总线接口( a m b a ) ；l c d 控制器：n a n df l a s h 控 制器；4 个d m a 通道；3 个u a r t ；1 个i i c 、1 个i i s 总线控制器；4 通道p w m 定时器； 一个内部定时器、实时时钟；触摸屏接口；u s bh o s t 和u s bd e v i c e 接d e g j $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了微处理器和常用的外围组件，大大减少了系统开发的成本，消除了系统配 置额外器件的需要，为系统开发提供了一个非常高效的硬件平台。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 1 2 基于$ 3 c 2 4 1 0 的监控处理模块的硬件架构 图2 - 2 是本系统基于$ 3 c 2 4 1 0 的基本硬件架构。其中电源、晶振、复位电路、f l a s h 、s d r a m 和m c u $ 3 c 2 4 1 0 构成了最小系统；而j t a g 接口、串口控制台、网口和u s b 从设备接口都是后续 调试开发的主要辅助接口；数据传输模块、数据显示模块、外部接口模块是根据系统需求开发的功 能模块。 。 数据通信模块主要实现监控软件和系统中其他模块之间的通信，实现数据和命令参数的传输， 这一模块的实现过程将在第4 章详细说明数据显示模块是根据用户的设置将波形数据和测量信息 进行处理叠加之后送到l c d 进行显示，这一模块的实现过程将在第5 章详细说明。外部接口模块主 要包括u s b 主设备和局域网接口，主要用来实现波形图像的保存、波形数据的存储和远程控制功能。 2 3 2 软件平台架构 图2 - 2 硬件平台架构 建立好硬件平台之后，接下来就要选择合适的嵌入式操作系统并建立相应的软件开发环境。监 控软件需要和用户进行人机交流，所以图形用户界面的选择也显得至关重要。 1 0 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台 2 3 2 1 操作系统的介绍 为了提高开发效率，嵌入式系统需要的是一套高度简练、质量可靠、应用广泛、易开发、多任 务，并且价格低廉的操作系统 目前常用的嵌入式操作系统有：啪o w sc e 和l i n u x 。 啪0 w sc e 是微软开发的可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是非开放性操作系统，无法根据 需要方便地增加和减小各项功能模块，因此很难实现产品的定制。 l i n u x 是一款开放源代码的操作系统，不存在黑箱技术。目前正在开发的嵌入式系统中，大部分 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。 基于对上述2 种操作系统的简单比较，选择嵌入式l i n u x 作为本系统的软件运行环境。 l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，它主要用于基于h t e lx 8 6 系列c p u 的 计算机上。这个系统是由世界各地的成千上万的程序员设计和实现的，其目的是建立不受任何商品 化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的u n i x 兼容产品。l i n u x 以它的高效性和灵活性著称， 它能够在p c 计算机上实现全部的u n i x 特性，具有多任务、多用户的能力。l i n u x 是在g n u 公共许 可权限下免费获得的，是一个符合p o s i x 标准的操作系统。l i n u x 操作系统软件包不仅包括完整的 l m u x 操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。它还包括带有多个窗口管 理器的x - w i n d o w s 图形用户界面【1 0 l 。 2 3 2 2 图形用户界面的介绍 图形用户界面( g l u ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 是一个系统给用户最直观感觉的部分。同时由于 d p o 是一个测量仪器，对实时性要求较高，因此对g u i 的要求也较高，不仅要有良好的图形界面效 果，而且必须是一个轻量级的图形用户界面。 在嵌入式l i n u x 下常用的图形开发包有：xw m d o w 系统、m i c r o w i n d o w s 、q t e m b e d d e d 和 m i n i g u i 。 xw i n d o w 系统在运行期间所占用的系统资源较多，加上中文显示和中文输入等本地化代码之 后，系统的整体尺寸和运行资源消耗较大。 m i c r o w i n d o w s 为自由软件，目前的开发重点则在底层的图形引擎之上，窗口系统和图形接口方 面的功能还比较欠缺。 q t e m b e d d e d 是著名的q t 库开发商开发的面向嵌入式系统的q t 版本主要特点是可移植性较 好，但该系统不开放源码。 m i n i g u i 为自由软件，其策略是首先建立在比较成熟的图形引擎之上，开发的重点在于窗口系 东南大学硕士学位论文 统、图形接口之上。 综合对上述4 种图形开发包的比较和系统的需求，选择m i n i g u l 作为本系统监控软件的图形开发 包。 m i n i g u l 作为中国为数不多的几个自由软件项目之一，是面向嵌入式系统的轻量级图形用户界 面支持系统。m i n i g u l 为提高性能，采用了独特的结构( 如图2 - 3 所示) 。从整体上看，m i n i g u l 是分 层设计的：最顶层的a p i 是提供给用户使用的编程接口；中间层m i n i g u l 核心则包括了窗口系统的各 个模块；最底层的g a i 和i m 沩m i n i g u l 提供了底层的l i n u x 或者x - w m d o w _ l 的图形接口支持以及输 入设备如鼠标、键盘等的驱动；而p n 鹏a d 则是提供了内核级线程支持的函数库。m i n i g u l 分层结构 中的g a i 和l 址，大大提高了m i n i g u l 的可移植性，并且使程序的开发和调试变得更加容易：m i n i g u l 的开发都是基于标准c 语言的，调用标准c 语言格式的a p i 函数来实现m i n i g u l 核心部分的操作，从 m i n i g u l 的结构来看，a p i 是平台无关的【1 2 1 。 i 。”7 二 心 圉 输入法、虚拟控制台 1 曩嗣扩1 _ _ _ _ 目口翳霸雹 竹 控件类管理控件对话框 m 二g 核志 光标、定时器、菜单、输入符 窗口、事件、消息、g d i 资源 墨一 内存管理、区域管理、杂项 g a l砒 p t h r e a d 图2 - 3m i n i g u l 结构框图 m i n i g u l 为嵌入式操作系统提供了非常完善的图形及图形用户界面支持。m i n i g u l 本身的可移 植性设计，使得不论在哪个硬件平台、哪种操作系统上运行，m i n i g u i 均能为上层应用程序提供一 致的应用程序编程接n ( a p l ) 。作为操作系统和应用程序之间的中间件，m i n i g u l 将底层操作系统及 硬件平台的差别隐藏起来，并对上层应用程序提供一致的功能特性。m i n i g u l 和嵌入式操作系统的 关系如图2 - 4 所示【1 3 】。 1 2 第二章d p o 总体设计方案及监控软件的开发平台 收? ， ? j i 。 ? i ”“：。：m i n i g u i 7 7 4 +