（电路与系统专业论文）基于dsp和fpga技术的液晶显示数字存储示波器研究.pdf

摘要 随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、数字化和网 络化的方向发展。其中数字存储示波器作为测试技术的重要工具而被广泛使用于 各个领域，同模拟示波器相比具有许多优点，并有逐步取代传统模拟示波器的趋 势。目前，国外在数字存储示波器领域的技术已经非常成熟，并且占领了绝大部 分的国内市场份额。而国内的数字存储示波器的研制尚处于起步阶段，目前还没 有十分成功的产品。为了填补国内数字存储示波器领域的空白，本项目来源于同 企业合作的开发项目，目的是设计一台具有自主知识产权的数字存储示波器样 机。 本课题所研制的数字存储示波器基于d s p 和f p g a 技术，采用大屏幕液晶显 示器作为终端，由采样系统、中央处理器系统、显示系统、用户交互系统等多个 模块组成。其中涉及到信号预处理、数据采集、同步触发、测频、自动控制、数 据显示和处理、频谱分析等诸多方面的理论。具有正常采样和滚动采样两种工作 方式，通过扫描时基旋钮对两种工作方式进行自动切换，对于低频信号采用滚动 采样方式显示，便于用户对波形进行观察，解决了在模拟示波器上只有一个亮点 在滚动的现象。另外，本机还具有强大的数据处理功能，能够对数字化的波形数 据进行加工处理，实现波形的保存和函数运算。用户交互界面与模拟示波器相似， 所具有的改进功能使用户减少了学习时间增加了效率。本课题研制的数字示波器 还为用户提供了自动参数测量、光标测量、频谱分析、多种触发方式选择等功能。 由于采用d s p 和f p g a 技术，设计中将所有数字部分放在大规模可编程器件 内部实现，利用可重构技术，电路设计灵活、调试和维护方便，适合于模块化设 计。采用数字信号处理芯片作为c p u ，增强了本机的信号处理功能，使本机可以 迅速地处理和分析大量的数据。这些功能充分地显示了数字存储示波器的优势， 也极大方便了用户使用。作为本论文的最终目的是研制出一台高性能便携式数字 存储示波器。 关键词：数字存储示波器数字信号处理器大规模可编程器件液晶显示器 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c m e a s u r i n gt e c h n o l o g y , m e a s u r i n g t e c h n o l o g yi sg e a r e dt oa u t o m a t e d ，i n t e l l i g e n t i z a t i o na n dn e t w o r kd i r e c t i o n s d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e a st h ei m p o r t a n tm e a s u r i n ga p p a r a t u si sw i d e l yu s e di nv a r i o u s f i e l d s c o m p a r e dw i t ha n a l o go s c i l l o s c o p e ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e sa l l o wy o u t o c a p t u r ea n dv i e we v e n t st h a tm a yh a p p e no n l yo n c e - k n o w na st r a n s i e n t s ad s o i s i d e a lf o r l o w r e p e t i t i o n - r a t e o r s i n g l e - s h o t ，h i g h s p e e d ，m u l t i - c h a n n e ld e s i g n a p p l i c a t i o n s d s oi sg r a d u a l l yr e p l a c i n gt h e 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 e t h e t e c h n o l o g yo fd s o a d v a n c e sa b r o a da n do c c u p i e sal a r g ep a r to f m a r k e ts h a r ei nc h i n a i no u rc o u n t r y , t h ed e v e l o p m e n to fd s oi sj u s ti ni t si n i t i a ls t a g ea n dv e r ys u c c e s s f u l p r o d u c th a sn o tb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fd s pa n df p g a ，t h ed s ou s e sl a r g e s c r e e nl c da st h e d i s p l a yt e r m i n a la n dc o n s i s t so fs a m p l i n gs y s t e m ，c p us y s t e m ，d i s p l a ys y s t e m ，u s e r i n t e r f a c e ，e t c d s oc o v e r st h et h e o r i e so fs i g n a lp r e t r e a t m e n t ，d a t ac o l l e c t i o n ，f r e q u e n c y d e t e c t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，a n a l y s i so ff r e q u e n c ys p e c t r u ma n dd a t ap r o c e s s i n g i th a s t w ow o r k i n gm o d e so fr e a l - t i m es a m p l i n ga n dr o l ls a m p l i n g t h et w os a m p l i n gm o d e s c a nb es w i t c h e da u t o m a t i c a l l yb yt h et i r n e b a s et u r n b u t t o n w h e no b s e r v i n gl o w f r e q u e n c ys i g n a l ，w eu s er o l ls a m p l i n gs o l v i n gt h ep r o b l e mw i t ho n l yo n es p o tr o i l i n g o nt h es c r e e no fa n a l o go s c i l l o s c o p e i na d d i t i o n ，t h es y s t e mh a ss t r o n gd a t ap r o c e s s i n g f u n c t i o n sa n dc a np r o c e s st h ed i g i t i z e dw a v e f o r ma n ds a v es a m p l i n gd a t a t h ed s o p r o v i d e s u s e r sw i t ht h ef u n c t i o n so fa u t o m a t i cp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t ，c u r s o r m e a s u r e m e n t ，a n a l y s i so ff r e q u e n c ys p e c t r u m a n dm u l t i - t r i g g e rm o d e s t h eu s e r i n t e r f a c ei ss i m i l a rt ot h a to fa na n a l o go s c i l l o s c o p e ，b u tw i t hi m p r o v e m e n t st h a tr e d u c e l e a r n i n gt i m ea n di n c r e a s ee f f i c i e n c y w i t ht h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra sc p u ，t h ep e r f o r m a n c eo fd i g i t a lp r o c e s s i n gh a s b e e ne n h a n c e da n dal a r g en u m b e ro fd a t ac a nb ea n a l y z e dr a p i d l y t h e s ef u n c t i o n s d e m o n s t r a t et h ea d v a n t a g e so fd s oa n da l s op r o v i d em o r ec o n v e n i e n c ef o rt h eu s e r s t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st od e s i g nah i g h p e r f o r m a n c ep o r t a b l ed s o k e y w o r d ：d s o d s pf p g al c d 第一章绪论 1 1 项目的背景及意义 随着电子测试技术的不断发展，传统的电子测试仪器已经从模拟技术向数字 技术发展，从单台仪器向多功能仪器的组合及系统型发展。同时，现代自动测试 系统正向仪器的自动化、智能化、网络化和综合化方向发展。示波器作为传统的 测量工具一直是电子测量领域内不可缺少的测量仪器。数字存储示波器( d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e ，简称d s o ) 是在传统的模拟示波器的基础上发展起来的。由 于模拟示波器的诸多局限性和数字存储示波器的许多优点，随着微处理器、大规 模集成电路、高速a d 转换器等技术的发展，数字示波器迅速发展并有逐步取代 模拟示波器的趋势。通过同模拟示波器进行比较，数字存储示波器具有以下优点： 1 体积小、使用简单 数字存储示波器由于使用大规模集成电路和微处理器，可以采用平板型液晶 显示器作为显示输出，具有体积小、系统性能稳定、功能强大等特点。同时采用 与模拟示波器相似的控制方式，用户易于掌握数字示波器的操作。 2 具有多种触发功能 按触发时间划分有同步触发、正延迟触发和负延迟触发。负延迟触发是数字 存储示波器的一个重要特点，因为传统示波器只能观测触发点以后的波形，而在 科学研究、工程技术中往往需要观测分析触发点以前的波形，因此利用数字存储 示波器的负延迟触发功能，可以方便地显示触发点以前不同时刻的波形。这种特 性，特别有利于分析故障产生的原因：按触发边沿划分可以实现上升沿触发和下 降沿触发：按触发方式划分可以实现自动触发、正常触发和单次触发。 3 多种灵活的显示方式 由于被测信号是多种多样和复杂的，因此需要有多种灵活的显示方式。( 1 ) 存 储显示：它可稳定、不闪烁地显示所存储的瞬变信号，同时显示所存储的波形还 可扩展和移动，便于对瞬变波形进行仔细分析和研究。( 2 ) 滚动显示：滚动采样方 式是数字存储示波器在低采样频率时的采样方式。传统的模拟示波器在低采样率 时，用户只能看到一个亮点在屏幕上移动而看不到完整的波形。而数字存储示波 器利用微处理器和存储功能，在进入低频扫描后进行滚动采样，波形自左向右滚 动前进，屏幕上将保留波形运动的轨迹。这使得使用者可以清楚地观察波形的变 化情况。 2 基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 4 采集数据可以存储 数字存储示波器是将模拟信号经模数变换器转换成数字信号存储于半导体存 储器中，只要仪器不掉电，存储的信号就可长期保持，需要时可随时取出进行显 示且质量不会变差。若采用c m o s 存储器，则耗电很小，在机内装一块电池，即 可实现关机后仍能存储信号的功能。 5 便于波形数据分析处理 由于数字存储示波器是以模拟输入信号数字化和数字存储为基础的，所以便 于波形数据进行各种数字处理和分析。如平均、迭加、信号的相关处理、频谱分 析、f f t 分析等。亦可方便地通过标准的g p i b 接口，将存储信号传送至计算机 或其他外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。并可构成自动测试系统， 成为强有力的系统单元。 6 测量精度高 传统示波器的扫描速度由锯齿波扫描信号决定，而数字存储示波器的扫描速 度由取样的时钟间隔和液晶显示器上单位长度所具有的取样点数来决定。由于使 用晶体振荡器作为时钟，所以具有很高的测时精度。采用高分辨率的a d 变换器 也使幅度测量精度大大提高。 目前国内大量使用模拟示波器，特别是学校一般仍在大量使用2 0 m 左右的模 拟示波器。数字存储示波器市场几乎全部由国外占领。本项目来源于同企业合作 的开发项目。目的是通过对国外主要公司产品工作原理的研究，在长期研制虚拟 仪器的基础上利用已有的技术，开发具有自主知识产权的便携式数字存储示波器。 发展我国的尖端测试领域技术，打破数字存储示波器市场为国外企业独占的现状， 逐步缩小与国外的差距，最终敢超国外的测试技术。 1 2 国内外数字存储示波器的发展概述 廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好 的波形观察工具，带宽1 0 0 m h z 的同步示波器开发成功，这是近代示波器的基础。 五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到1 0 0 m h z 。六十 年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽 6 g h z 的取样示波器、带宽6 g h z 的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高 水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形已录器。模拟示波器从此没 有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术 以美国领先，中低档产品由日本生产。 模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字 示波器要改善带宽只需要提高前端的a i d 转换器的性能。加上数字示波器能充分 第一章绪论 利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示 波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前 台退到后台。 八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的t e k 公 司和h p 公司都对数字示波器的发展做出贡献。它们后来甚至停产模拟示波器，并 且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1 g h z 以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的 现象，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。 目前，在数字存储示波器领域内领先的国家是美国和日本，主要的生产厂商 有美国的h p 、t e k t r o n i x 、l e c r o y 和日本的岩崎通讯株式会社( i w a t s u ) 。 常用的示波器有安捷伦公司的h p 5 4 6 0 0 b 、h p 5 4 6 0 3 b ，取样速率为2 0 m s s ，带宽 分别为1 0 0 m h z 和6 0 m h z ，纪录长度为1 m b 。泰克公司的t d s 2 1 0 、t d s 2 2 0 ，取 样速率为1 g s s ，带宽分别为6 0 m h z 和1 0 0 m h z ，纪录长度为2 5 k b 。从1 9 4 7 年 美国泰克公司成立以来，目前已有九大系列，1 0 0 多个品种，几乎各个门类示波器 的最高指标均由它所占据，已成为示波器领域公认的权威。泰克公司推出的数字 荧光示波器( d p o ) 把示波器的设计提高到了一个新的理念，数字荧光示波器不 是使用传统的串行处理方式，而是采用并行处理结构以实时来捕捉、显示和存储 三维信号信息。数字荧光示波器突破了模拟和数字存储示波器之间的技术屏障， 它适合实时观察高频、低频，重复波形，瞬态和信号变化。t d s 5 0 0 ( 单色) 和t d s 7 0 0 ( 彩色) 系列的两种数字荧光示波器，具有5 0 0 m h z 一2 g h z 带宽，取样率最高2 g h z ， 最多4 通道输入，属于中高档数字示波器，价位在1 0 0 0 0 美元以上。今年生产一 种t d s 3 0 0 0 系列数字荧光示波器，起价只3 ，0 0 0 美元，带宽5 0 0 m h z ，取样率最 高5 g s s ，受到用户的欢迎。另一家专门生产数字示波器的l e c r o y 公司，今年也 推出一种数字余辉示波器，名称虽有别于数字荧光示波器，它们的功能实际上是 相同的。w a v e r u l m e r 系列的带宽5 0 0 m h z ，取样率5 0 0 m s s ，最多4 通道输入，起 价5 ，9 9 9 美元。 尽管在国际上数字存储示波器已经有了较为成熟的发展，我国目前在数字存 储示波器生产领域内基本是空白，国内的几家示波器生产厂商如北京精电、江苏 扬中等尚在起步阶段。国内数字存储示波器的市场几乎全部为外国企业所占有。 发展我国的测量仪器技术已经成为不可避免的趋势。在这种情况_ f 我们必须立即 着手研制数字存储示波器，否则今后会更难在这一领域上起步，国内的数字示波 器市场将始终为外国所占有。 4基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 1 3 本项目总体方案论证 1 3 1 总体性能指标的定位 本机各项技术参数和功能如下： 1 模拟带宽： 1 0 0 m h z 2 最高采样率： 5 0 m 6 0 m 3 垂直分辨率：8 位 4 存储深度：1 6 k b 每通道 5 垂直灵密度： l o m v d i v 5 0 v 他i v 6 探头衰减：l ：1l ：1 0 7 扫描速率：5 s d i v 1 0 0 n s d i v 8 显示方式： 正常显示( y t y x ) 、滚动显示 9 多重波形数学运算功能：加减、插值处理 1 0 多种触发功能 触发源：c h i 、c h 2 、e x t 触发边沿：上升沿、下降沿( 触发电平可调) 触发方式：自动、正常、单次 触发时间：同步触发、正延迟触发、负延迟触发 u 自动测量多种波形参数 频率、周期、峰峰值、最大值、最小值、平均值、有效值 1 2 光标测量：时间、电压 1 3 频谱分析：矩形窗、哈明窗、汉宁窗 1 3 2 数字存储示波器的关键技术 1 数据采集速度提高 数据采集的转换速度直接决定了示波器的等级，所有的数字存储示波器的生 产厂商在其每一代产品上一直试图解决的关键性问题就是采样率。采样速率主要 受a d 转换速率、各组成单元电路的延迟和存储器的速度影响，a d 转换速度越 高，硬件电路的延迟对系统的影响越大。因此，本系统中对硬件电路的时序调整 是重点所在。 2 通道灵敏度、带宽 信号调理电路性能的好坏会对示波器的性能产生巨大影响，会对信号产生附 加噪声，也使得测量电路得出不正确的结果，甚至不能正常工作。同时，前端电 路的带宽决定了可输入的模拟信号最高频率，如果带内的平坦度太差也会使信号 产生畸变。为实现示波器垂直灵敏度的调整，还要求信号调理电路的放大倍数按 第一章绪论5 垂直档位开关的要求改变。这一部分属于模拟电路设计，在系统中起着至关重要 的作用。 3 数据处理、显示 由于整个系统全部针对数字信号进行处理和显示，其中涉及到大量数字信号 处理和图形方式下绘图理论。另外，系统的正常运行也需要数据处理与显示的协 调工作。因此，这也是本设计的工作重点。 l - 3 - 3 设计中的关键器件选择 1 中央处理器选择 通常作为一个系统的处理器可以采用单片机担当，由单片机完成显示控制、 采集控制和数据处理功能。但是单片机具有工作频率比较低，采用传统处理器的 冯诺依曼结构，指令执行速度慢，数字信号处理功能差等缺点。d s p 具有数据 总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈弗结构，具有更高的指令执行速度； d s p 大多采用流水技术，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行 时间；针对数字信号处理中需要大量乘法累加运算的特点，d s p 大多配有独立的 乘法器和加法器，大大加快了f f t 的蝶形运算速度；因此，本设计采用了d s p 器 件作为中央处理器。 2 f p g a 器件选择 系统可重构技术主要适应于硬件系统中数字逻辑需要在系统改变的情况，由 于现场可编程逻辑器件( f p g a ) 采用易失性编程单元s r a m 结构，从而可以像计 算机内存的操作一样对f p g a 编程，也可以无限次的对f p g a 系列芯片进行逻辑 功能的重构。因此，本系统采用a l t e r a 公司的a c e xe p l k 5 0 作为硬件电路核- h 完成全部数字电路、控制电路和接口电路的设计。 3 显示器件选择 长期以来人们一直选用阴极射线管作为显示器件，它能把抽象的各种电信号 和非电信号通过各种传感器直观地显示在示波管屏幕上，以便对电信号进行精确 的定性和定量分析。但是，这个基本系统存在的问题是：在慢扫描的情况下，由 于磷化物材料的短余辉特性会引起显示的图形发生闪烁光点，而快速的单次信号 将过快地扫过屏幕，也难以对被测波形进行分析。阴极射线管还具有体积大，需 要高电压驱动等缺点。 由于液晶显示器件具有低工作电压、微功耗、平板型结构、显示信息量大、 长寿命、无辐射、无污染、能使用c m o s 电路直接驱动等特点，使l c d 的出现不 仅代替了部分其它显示器件，还大大扩展了显示器件的应用范围。同时，随着现 代科技的发展，液晶显示器的价格也大幅度降低，可以被较低价位的仪器所接受。 因此，本设计中采用3 2 0 * 2 4 0 点阵的液晶作为显示器件。 6 基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 1 4 本论文主要工作 虽然国际上数字存储示波器已经有了很大的发展，但在国内这一领域才刚刚 起步，开发经验和参考资料都很欠缺，而且国内的电子器件、集成电路制造工艺、 电路板制造工艺及水平也还有待发展，直接研制高档示波器是不现实的。而中低 档机是当前市场的主流，技术较为成熟，市场占有量大、前景好，能够满足大多 数领域的基本使用要求。因此我们的研究方向主要定位在中档数字存储示波器的 研制，以此为起点来研制更高档次数字存储示波器。 在本论文中，我主要做了以下工作： 1 研究数字存储示波器有关的现代测试技术的基本理论、算法和显示技术 数字存储示波器的设计应用到许多方面的理论，其中包括采样定理、信号预 处理、测频原理、自动控制、数字信号处理、插值算法、显示技术等。本论文的 初期工作主要是阅读大量的相关书籍，对项目的整体方案进行论证。找出并解决 数字存储示波器设计中的关键技术。 2 硬件设计 在硬件电路设计中，使用先进的e d a 开发工具、d s p 技术和f p g a 技术等， 大大提高了设计效率。硬件计主要包括前端放大板电路设计、触发电路设计、测 频电路设计、液晶控制电路设计、键盘电路设计、采集电路设计、d s p 与可编程 器件接口电路设计、d s p 外围电路设计及脱机电路设计。 3 软件设计 软件编程采用t i 公司的c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ，v e r s i o n1 2 ) 编程环境， 使用c 语言和汇编语言混合编程。设计数字存储示波器的软件整体结构和动作流 程，主要完成键盘处理程序设计、用户交互界面设计、滚动采样编程、波形放大 缩小算法程序设计、插值处理程序、汉字输出技术、模拟板控制、采集数据处理、 频谱分析等。 4 系统调试 硬件调试重点在前端放大板电路、采集和触发电路、测频电路及键盘控制电 路。前端放大板要保证在所有档位下都能获得a d 所需的采样信号幅度和足够的 信号输入带宽；采集和触发电路要实现正延迟和负延迟触发，自动触发、正常触 发和单次触发，触发电平控制等；测频完全要由硬件电路实现，要在整个量程范 围上有足够的精度；键盘电路调试主要问题在键盘时序，按钮要求不能误识，对 于旋钮要求不能错识。系统调试最终要求完成便携式液晶显示数字存储示波器的 初样。 第二章关键部件的原理及应用7 第二章关键部件原理及应用 液晶显示器、d s p 、f p g a 本章介绍了液晶显示器的基本知识、写入机理与驱动基础，讲述了本论文所 采用的液晶显示器的电路时序、外围电路设计和液晶显示控制器。列出了液晶显 示控制器的指令集并给出了本设计中液晶初始化的流程。讲述了d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 器件的发展和c 5 4 x 系列器件的结构，对所采用的d s p 处理芯 片的性能和外围电路设计等作了较详细论述。另外，还讨论了可编程器件的特点、 基本结构、所选器件性能和可编程器件的配置过程。 2 1 液晶显示器的应用技术 2 1 1 液晶显示器件概述 目前人类己步入信息时代，人们信息的获取有8 0 来自视觉。各种信息最终 都要通过信息显示来实现人、机交换。由于液晶显示器件( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ， 简称l c d ) 具有低工作电压、微功耗、能使用c m o s 电路直接驱动等特点，使 l c d 的出现不仅代替了部分其它显示器件，还大大扩展了显示器件的应用范围。 目前世界上l c d 已成为仅次于显像管的第二大显示产业。l c d 是目前显示产业中 发展速度最快、市场应用最广的显示器件。 定向层 偏光片 玻璃 电强 封接框 玻璃 信光片 反射片 幽2 1 典 ! ! 丁n 液晶显下器州结构不意 液晶显示器件从结构上晚属于平板显示器件，其基本结构成平板行。t n 型液 晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件。常见的手表、数字仪表及大部分计算 器所用的液晶显示器件都是t n 型器件。下面我们以t n 型液晶显示器件介绍液晶 的基本结构原理。t n 型液晶的基本结构原理是将涂有i t o 透明导电层的玻璃光刻 上一定的透明电极图形，将这种带有透明导电电极图形的前后两片玻璃基板夹持 上一层具有正介电各向异性的向列相液晶材料，四周进行密封形成一个厚度仅为 8 基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 数微米的扁平液晶盒。由于在玻璃内表面涂有一层定向层膜，并进行了定向处理， 在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的 方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈9 0 0 扭曲，这就是扭曲向列液晶显示器 件名称的由来。典型的扭曲向列型液晶显示器件基本结构如图2 1 所示，图2 2 为 其原理图。 光源 起偏振片 背电极段电极正交检验偏振片显示图形 圆 ? 锄 图2 2t n 型液晶显示器件显不原理示意图 由于液晶盒中液晶扭曲的螺距与可见光波长相比是相当大的，所以，当直线 偏振光垂直射入液晶层后，其偏光方向会被液晶扭转9 0 0 。即，这个液晶盒具有在 平行偏振片问可以遮光，在正交偏振片问可以透光的功能。对这种液晶盒施加电 压，达到一定电压值，液晶分子长轴便开始沿电场方向倾斜，当达到。定值时， 除电极表面外的所有液晶分子长轴一律都沿电场方向进行再排列。这时9 0 0 旋光消 失，即，其放在平行偏振片问透光，放在正交偏振片间遮光。这就是n 型电光效 应液晶显示器件的工作原理，是应用最广的一类液晶显示器件。我们所以看见时 隐时现的黑字，不是液晶变色，而是光被遮挡或被透过的结果1 6 j 。 2 1 2 液晶显示控制器s e d l 3 3 0 的电路特性 、 本课题中液晶采用的是t r u i 公司生产的m s p g 3 2 0 2 4 0 7 液晶显示器，该 液晶采用的是s e d l 3 3 0 液晶显示控制器。s e d l 3 3 0 主要由控制部分、驱动部分和 接口部分组成。 s e d1 3 3 0 的控制部分由振荡电路、控制寄存器组、控制逻辑电路以及显示存 储器和字符发生器管理电路等构成，具有较强的管理显示存储器能力。控制部分 拥有一个内部字符发生器，具有1 6 0 种5 t 7 点阵字体的字符。控制部分能分区管 理6 4 k 的显示存储器，可以同时管理三个或四个显示区，并同时能管理自定义字 符发生器。每个显示区都有两种特性：文本显示特性或图形显示特性。s e d l 3 3 0 的控制部分专有一组寄存器来管理这两种特性的显示区，它可以在显示缓冲区的 0 0 0 0 h - - e f f f h 地址范围内任意划分出四个显示区，每个显示区可以设置为文本 显示特性或图形显示特性。这四个显示区被命名为一区、二区、三区和四区，它 们的显示作用以一、二区为主体，三、四区为补充。在使用中，s e d l 3 3 0 把一区 第二章戈键部件的原理及应用9 或者一区和三区“串联”组成第一显示画面l 1 ，把二区或者二区和四区“串联” 组成第二显示画面l 2 。有时把三区单独作为第三显示画面l 3 处理。这三个显示 画面可以单独显示也可以根据某一种逻辑关系合成显示。合成的形式可以是双重 合成( 即l i 和l 2 合成显示) 也可以是三重合成( 即l 1 、l 2 和l 3 合成显示) 。这四个 显示区用指令s c r o l l 划分，划分所需要的参数有各区的起始地址s a d ，一行显 示所占的字节数a p 和该区所占显示屏上的点行数s l ，这些参数都存储在专用寄 存器中。显示存储器的显示区的划分与显示平面的对应关系如图2 3 所示。 ( a ) 单屏结构( b ) 双屏结构 矧2 3 显示存储器的显示区的划分与显示平面的对应关系 s e d l 3 3 0 驱动部分具有各显示区的合成显示能力、传输数据的组织功能及产 q i 液晶显示驱动系统所需的控制时序脉冲信号。s e d l 3 3 0 等驱动部分的数据传输 厅式是以4 位并行方式传输的，驱动部分将一字节显示数据分高4 位和低4 为两 次并行传输。这就要求液晶显示驱动系统的别驱动器的数据接口形式也为4 位结 构。驱动部分的显示数据传输是以数据块形式传输的，s e d l 3 3 0 等在驱动部分将 显示数据以8 个宁节( 4 + 1 6 = 6 4 ) 为一数据块进行传输。当显示一行的显示数据量 为6 4 的整数倍时，驱动部分正好满数据块组织传输；当显示行的显示数据量不 为6 4 位的整数倍时，驱动部分就要在一行的最后一个数据块中将不足的位填充为 0 以组成一个完整的数据块进行传输。 s e d l 3 3 0 的接l | 部分由接口控制电路、数据输入缓冲器、数据输出锁存器、 指令寄存器及译码器、忙状态触发器以及时序控制电路等组成。在与计算机连接 方面，s e d l3 3 0 的接口部具有高性能的接l | 电路，计算机可以随时访问s e d l 3 3 0 而不需要判别器当前工作状态：s e d l 3 3 0 即时地把计算机传送来的指令代码和参 数或显示数据就位，或把显示数据即时地送上计算机的总线供计算机读取。 s e d l 3 3 0 接口电路在内部时钟周期t c v c 内，以全速接应计算机的访问。在计算机 访问显示存储器时这样做虽然满足了计算机的实时控制，但牺牲了内部显示扫描 的数据读取周期，也就是要中断为显示驱动而读取显示数据的操作，因而不可避 基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 免地将在显示屏上出现“雪花”现象。要避免“雪花”的影响，使计算机的操作 对显示的影响最小，s e d l 3 3 0 在接口部提供了一个状态信号“忙”标志b f 。该标 志向计算机表示当前s e d l 3 3 0 驱动扫描时序的工作状态，b f = 0 表示显示扫描时序 处于当前行的显示数据传完到f 一行显示数据传送开始的这一段时问。在这段时 间内将不在读取显示数据，此时接应计算机对显示存储器的访问将不会影响显示 效果。b f = i 则表示显示扫描时序处于一行显示数据的传输时间内，此时接应计算 机对显示存储器的访问将会影响显示效果。这一点在对液晶的操作中应特别注意 6 1 2 2d s p 技术的发展及应用 2 ，2 ，1d s p 器件的发展概述 d s p 是英文d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的缩写，即数字信号微处理器的意思。d s p 芯片专门用丁二完成各种实时数字信息处理，它是在数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 的各种理论和算法的基础上发展起来的。世界上第一个单片d s p 芯片 应当是1 9 7 8 年a m i 发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件 2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须 有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法 器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a sh t s m u n e n t s ，简 称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二二 带d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 c 2 8 ，第三代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 ( 2 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片 于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 常用的d s p 芯片归纳为三大类，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。如今，t i 公司的一系列d s p 产 品已经成为当今世界上最有影响力的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额的5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s pj 占片的是日本的h i t a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年f i 本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 其指令周期为 1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而是处理吞吐量发生了个飞跃。而第一个高性能 d s p 芯片影视a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。美国模拟器件公司( a n a l o g d e v i c e s ，简称a d ) 在d s p 市场也占有一定的份额，相继推出了系列具有自己 第二章关键部件的原理及应用 特点的d s p 芯片。其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 、 a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 l ，浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、 a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择 应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用目 的等不禁相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片是应考 虑到如下诸多因数：d s p 芯片的运算速度；d s p 芯片的价格：d s p 芯片的硬件资 源；d s p 芯片的运算精度；d s p 芯片的开发工具：d s p 芯片的功耗；其它如封装、 供货、生命周期等。 在上述诸多因数中一般而言，定点d s p 芯片的价格便宜，功耗较低，但运算 精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，但价格稍贵，功耗也较大。例 如n 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列属于定点d s p 芯片，低功耗和低成本是其主要 的特点。而t m s 3 2 0 c 3 ) ( ，c 4 c 6 7 x 属于浮点d s p 芯片，运算精度高，但同时其 价格和功耗也相对较高1 3 j 。t i 公司推出的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 现在是n 公司市场上主 推的产品，其功能强大、性能价格比较好，被现在的大多数设计所采用，本设计 也采用c 5 4 0 2 作为处理芯片。 2 2 2c 5 4 xd s p 的内部结构 5 4 x 系列d s p 采用了改进的哈佛结构，该结构有8 条总线，使数据处理能力 达到了最大限度。通过程序、数据空间的分离，可同时进行程序指令和数据的存 取并提供了高度的并行性，如3 次读和一次写操作可在一个周期内完成。带有并 行存储的指令及其它特殊的指令，充分利用了这一增强性哈佛结构的特性。此外， 数据还可以在数据空间和程序空间之间进行传送。这种并行性还支持一系列功能 强劲的算术逻辑及位操作运算。所有这些运算都可在单个机器周期内完成。同 时，5 4 x 还有包括中断管理、重复操作及功能调用等在内的控制机制。图2 4 示 出1 5 4 x 的内部功能框图，其中包括外设模块及总线结构。 5 4 x 结构的建立主要围绕着8 条1 6 位的总线展开的。这8 条总线包括4 条程 序数据总线和4 条地址总线。它们的作用是： 1 ，程序总线( p b ) 传送从程序存储器来的指令和立即数： 2 三条数据总线( c b 、d b 和e b ) 与不同的单元相连，如c p u 、数据地址 产生逻辑、程序地址产生逻辑、片内外设和数据存储器。c b 和d b 总线传送从数 据存储器读出的操作数。e b 总线传送写入到存储器中的数据： 3 四条地址总线( p a b 、c a b 、d a b 和e a b ) 传送执行指令所需要的地址； 5 4 x 通过使用两个辅助寄存器算术单元( a r a u 0 和a r a u l ) ，每周期能产生 ! !基于d s p 和f p g a 技术的液晶显示数字存储示波器研究 两个数据存储器地址。5 4 x 还有一组寻址片内外设的片内双向总线，通过c p u 接 口中的总线交换器与d b 和e b 相连接。对这组总线的访问，需要两个或更多的机 器周期来进行读和写，具体所需周期数由片内外设的结构决定。 系坑控制接口程序地址发生逻辑数据地址发生逻辑 幽2 4 5 4 x 的内部功能框图 2 2 3t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 的硬件特性 在本课题中，选用的d s p 器件是t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 。c 5 4 0 2 的运行速率 为1 0 0 m i p s ；内置可编程等待状态发生器、锁相环( p l l ) 时钟产生器、两个多通 道缓冲串行口、一个8 位并行与外部处理器通信的h p i 口、2 个1 6 位定时器以及 6 通道d m a 控制器；程序寻址空间为i m x1 6 b i t ，数据寻址空间6 4 k x1 6 b i t ；芯 片内置4 k x1 6 b i tr o m 和1 6 k 1 6 b i t 双端口r a m ，r o m 固化有系统装载程序 第二章关键部件的原理及应用 ( b o o t l o a d e r ) 、u 率扩展表、a 率扩展表、正弦表和中断向量表。系统装载程序 能在系统上电时自动将用户代码从外部资源转移到程序存储器的相应位置。c 5 4 0 2 提供两种运行模式，通过在复位时对引脚m p m c 进行采样确定，当m p m c 为高 时为微处理器方式，为低时是微计算机模式。微处理器模式片内r o m 将不会映射 到程序空间，只有在微计算机模式r o m 才映射到程序存储器空间，复位时才能进 入系统装载程序引导系统。具体引导方法在第三章有详细论述。双端口r a m 有两 块8 k 字组成，每一块在一个周期内都能支持两次读操作或一次读操作和一次写操 作。双端口r a m 地址范围映射到数据区0 0 6 0 h 3 f f f h ，通过设置控制位o v l y 到1 可以将双端口r a m 映射到程序数据区。o v l y 默认值为l ，即双端口r a m 同时映射到程序区和数据区。图2 5 是c 5 4 0 2 的存储器映射情况。 础 0 0 0 0 0 0 7 f 0 0 8 0 3 f f f 4 0 0 0 f f 7 f f f 8 0 f f f f 保留 ( o v l y _ 1 ) 外部 ( 0 v l y = 0 ) 片内d a p