（信号与信息处理专业论文）基于sopc的数字示波表底层软件及部分硬件设计.pdf

摘要 摘要 可编程片上系统( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 设计是一个崭新的嵌入式 系统设计方向，它试图将尽可能大而完整的电子系统在单一f p g a 芯片中实现， 这种技术已经被业界广泛接受。与此同时，高性能、低功耗、微型化是现代数字 示波器发展的一个方向，s o p c 技术的出现为数字示波器的这种发展方向带来了一 种新的开发技术。 本文讨论了基于s o p c 技术的便携式双通道数字存储示波表的一种实现方案。 在这种方案中，使用了在f p g a 中嵌入c p u 软核作为控制核心，并用f p g a 芯片 中剩余的其他可编程逻辑资源构成该嵌入式系统的外围器件，形成数字示波表的 数字核心模块，并配以模拟通道部分电路，组成了一个完整的数字示波表。 本文重点阐述了数字示波表的整体框架设计，图形界面接口设计，内存管理 设计，消息队列管理以及底层硬件驱动程序和部分功能的实现，同时还说明了高 级语言级别的软件仿真系统设计和实现。最后紧跟现代软件测试方法的发展步伐， 对所编写的软件进行测试，以保证在功能、性能、健壮性等方面能获得良好的结 果。 本方案对使用s o p c 技术进行嵌入式系统的软件开发提供了一个很好的设计 实例，虽然本系统的软件运行在1 1c o s i i 操作系统上，但是其中的图形接口模块， 内存管理模块，消息队列管理模块都不依赖于具体的o s ，能够很方便的移植在其 他系统上使用。 关键字：数字示波器，可编程片上系统，内存管理，图形用户界面，软件测试。 a b s t r a c t a b s t r a c t s o p ci san e wt e c h n o l o g yf o rs y s t e md e s i g na n di sa l s ob r o a d l ya c c e p t e d i t i m p l e m e n t sa sl a r g ea n di n t e g r a t e de l e c t r o n i c a ls y s t e ma sp o s s i b l ei nas i m p l e xc h i p s i m u l t a n e o u s l y , h i 班p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r - c o s ta n dm i c r o m a t i o nh a v eb e c o m eo n e o ft h eo r i e n t a t i o n so f p o r t a b l ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p er d s o ) s o p cb r i n g sa n o t h e r d e v e l o pt e c h n o l o g yt oi t t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u to n eo fs o l u t i o no fd i g i t a lp o r t a b l e ，d u a l c h a n n e l ，s t o r eo s c i l l o s c o p ew h i c hi sb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y i nt h i ss o l u t i o n ，t h e e m b e d d e ds o f tc p ui pc o r ei su s e da st h ek e r n e ld i g i t a lm o d u l ew i t hi t sp e r i p h e r y c o n t r o l l e r sb a s e do nr e s i d u a ll e s i na d d i t i o n ，a n a l o gc h a n n e lc i r c u i ti sa d d e dt of o r m a ni n t e g r a t e dd s o s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nf r a m e w o r kc o n s t r u c t i o n ，g u id e s i g n ，m e m o r y m a n a g e m e n t ，m e s s a g ef i f om a n a g e m e n t ，o t h e rh a r d w a r ed r i v e r sa n dd e s c r i b e sd e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fs o t t w a r es i m u l a t i o n s y s t e mw r i t t e ni na d v a n c e dl a n g u a g e s f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，a n ds h o w st h e g o a l o ft h i s d e s i g n f r o mr e q u i r e m e n ta n a l y s i s t om o d u l e si m p l e m e n t a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o ng i v e st h ew h o l ev i s i o no ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s s e c o n d l y , i td e s c r i b e s t h el o wl e v e ll a y e ri m p l e m e n t a t i o n t h el o wl e v e ll a y e ro ft h es y s t e mi sc o m p o s e do f h a r d w a r ed r i v e r sa n dh a r d w a r el o g i cb l o c ki m p l e m e n t a t i o n f u r t h e r m o r e ，s o f t w a r e e m u l a t i o na b o u tt h i ss y s t e mb a s e do nh i 幽l e v e lc o m p u t e rl a n g u a g e si sa l s oc o v e r e d a t t h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n ，w ec a r r yo u tt e s tt ot h es y s t e m ，e s p e c i a l l yt ot h es o f t w a r et o g e ts a t i s f a c t o r yr e s u l to nf i m c t i o n ，p e r f o r m a n c e a tl a s tw es h o u l ds a yt h i sd i s s e r t a t i o n g i v e sa ne x a m p l et o t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n to fa ne m b e d d e ds y s t e mu s i n gs o p ct e c h n o l o g y a l t h o u 曲a l lt h es o f t w a r e m o d u l e sr u ni np c o s i i ，b u tt h e yc a nm i g r a t et oo t h e ro sw i t h o u tm o d i f ya l m o s t l yf o r t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n k e y w o r d ：d s o ，s o p c ，m e m o r ym a n a g e m e n t ，g u i ，s o f t w a r et e s t i n g i i 图表目录 图2 1 图2 2 图2 3 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图表目录 采样示意图1 触发原理图3 系统结构图7 m a x 5 5 9 0 电路原理图9 a d 9 2 1 8 电路原理图1 0 a d 9 2 1 8 工作时序图1 1 数字部分系统框图1 2 f i f o2 2 作示意图1 3 数据传输模块状态转换图1 5 系统软件框图1 9 波形获取任务流程图2 1 g u i 处理流程图2 2 系统各任务相互依存关系图2 2 系统任务优先级图2 4 r t c o s i i 内存管理示意图2 8 内存块分裂时链表变化图3 0 队列实现原理图3 1 a p i 实现列表图3 3 树原理图3 6 m a x 5 5 9 0 时序图4 0 m a x 5 5 9 0 命令格式图4 0 通信流程图4 2 堆管理内存初始化图4 4 内存分配日志图4 4 堆管理内存初始化图4 5 分配1 0 0 0 0 字节以后内存变化图4 6 v i 图表目录 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 表1 1 表2 1 消息队列创建后内存图4 7 消息队列压入数据后内存图4 7 g u i 仿真测试图 g u i 显示效果图 示波表指标要求列表一 n i o s i i 特性列表一 v i i o 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：日期：年月日 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) 虢辎铆虢掣叠 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字示波器发展现状及分类 示波器是一种应用广泛的测量仪器，它可以以波形的方式把各种电信号表达 出来，使电信号明了直观，易于分析。利用示波器除了能对电信号进行定性的观 察外，还可以用它来进行一些定量的测量，例如可以用它进行电压、电流、频率、 周期、相位差、调幅度、脉冲宽度、上升及下降时间等的测量。 随着数字电子技术的应用和发展，半导体制造工艺以及各种大规模和专用的 集成电路在示波器的设计中得到了广泛的应用，示波器数字化成为了当前的发展 趋势。根据目前示波器的发展现状，大致可以分为以下几类1 1 1 ： 1 模拟示波器 被测信号进入通道并进行放大后，加至示波管的垂直偏转板；扫描电路产生 的锯齿波电压加至示波管的水平偏转板，将被测信号稳定的显示在示波管的屏幕 上。 2 数字存储示波器 采用数字电路，输入信号经过a d 变换成数字信息，使用数字信号处理技术 获得相关参数，并经过d a 变成模拟信号显示在屏幕上。信号在数字化以后就可 以进行存储。 3 逻辑分析仪 主要用于显示电路信号的状态，特别是时序关系 2 。 本文主要讨论的是数字示波表，可以视为微缩版的数字存储示波器。数字示 波器相对于模拟示波器有一些优点，特别在于非周期的单次信号方面，这种单次 瞬态信号在各种领域大量存在。综合起来，数字示波器比之传统的模拟示波器有 以下优点川： 1 单次瞬态信号的处理 数字示波器与传统的模拟示波器相比在自动测试、实时捕获、波形存储预算 等功能上具有突出的优点，尤其在处理单次瞬态信号上。 2 多种触发方式 数字存储示波器有多种触发，按触发方式分有自动触发、正常触发、单次触 电子科技大学硕士学位论文 发；按触发边沿分有上升触发和下降沿触发。这些都方便用户分析故障产生原因。 同时，传统示波器只能观测触发点以后的波形，而在工程技术、科学研究重往往 需要观测触发点以前的波形以分析问题，数字存储示波器正具有这样的优点，它 的预触发( 负延迟) 功能可以方便显示触发点以前不同时刻的波形。 3 显示方式灵活 滚屏、包络、无限余晖、高速刷新等多种显示方式，便于各类不同性质和用 途信号的观察。由于被测信号的多样性和复杂性，就要求示波器具有相应的显示 方式。数字示波器引入了数字处理技术，并与计算机一起构成智能化联机系统， 使其对于复杂单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效。其存储显示方式可 稳定地显示其存储下来的瞬态信号，并可任意扩展和移动。当在测量低频信号时 数字存储示波器自动进入滚动模式显示，波形从左到右滚动前进，用户可以通过 屏幕波形运动轨迹清楚地观测到波形变化情况。 4 具有数据存储功能 数字示波器可以很方便的具有数据存储功能。数字存储示波器将模拟信号经 过a d c 转换成数字信号后，存到半导体存储器中，用户在需要时可随时调出显示， 同时便于观测单次过程和缓慢变化的信号，方便对问题的分析解决。 5 测量精度高，自动显示测量结果，消除视差影响 模拟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 度由取样时钟间隔和l c d 上单位长度所具有的采样点数来决定。由于其采用晶振 作为时钟，因此具有很高的测试精度。若采用更高分辨率的a d c 则能使测量精度 更加提高。 6 体积小，易于操作 数字存储示波器由于应用了大规模集成电路和微处理器，再加上采用液晶作 为显示输出，大大简化了体积，并且功能强大、性能稳定。对用户来说界面简洁， 易于操作。 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存 储示波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快的仪器。各大公司和 厂家相继投入巨资研究、开发该类仪器，以图率先占领此技术领域。 目前各大公司不断推出更高技术含量的产品，例如t e k 公司推出的数字荧光 示波器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 ) ，能够实时显示、存储和分析复杂信 号，利用三维信息( 振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分量出 现的频率) 充分展现信号的特征。而a g i l e n t 公司生产的n f i n i i u m5 4 8 0 0 系列示波 2 第一章绪论 器最高带宽达6 g h z ，最高采样率2 0 g s a s ，4 通道，每通道存储深度可达3 2 m b 3 1 。 尽管在国际上数字存储示波器的技术产品已经逐渐成熟，但我国目前在数字 存储示波器的生产领域内还处于起步阶段。北京普源精电科技有限公司目前自主 开发的d s 3 0 0 0 系列数字存贮示波器最高带宽1 0 0 m h z ，采样率2 5 g s a s ，单次采 样率最高为4 0 0 m s a s ，这是目前所知国内研发最高水准的示波器，但因技术和资 金原因至今还未投入市场【4 】。 1 2 课题来源与主要意义 打破国外企业的市场垄断，发展我国电子测量领域技术是本课题的初衷。 本课题为横向课题，目的是通过对国外主要公司产品工作原理的研究，应用 自己现有的技术开发出具有自主知识产权的便携式数字存储示波表，从而发展我 国电子测量领域的技术，逐步缩小与国外产品的差距。 课题的开发应该首先确定开发目标，然后根据设计目标和当前设计能力给出 可能的实现方案，这是需求分析的任务。需求分析是项目或课题展开的基础，在 项目或课题的实际开发之前进行需求分析不至于使项目或课题失去控制，变成天 马行空般的开发，最后导致失败。需求分析要解决的问题是系统到底能够做什么， 要齐全、准确地找出目标系统全部的功能、性能、限制，并能够详尽的分析系统 的输入和输出，并对将来可能出现的扩展或改进做出预见。需求分析在开发过程 中也会发生一定的变化，其它文档需要根据此变化进行相应的更改。 本项目中示波表的指标要求如表1 - 1 ： 表1 - 1 示波表指标要求列表 要求 说明 双通道是示波表的基本需求。其中每一路 都能单独工作，不会对其他通路造成影响。 通道是模拟部分，其主要功能是将信号的 双通道 电压变化范围通过衰减、隔离等措施后落 在a d c 能处理的范围内。通道部分已经有 示例电路，但是需要按照要求对其进行微 型调整。 加到输入端的被测信号通过选择交流或者 直流耦合方式进入下一级输入。在直流耦 合下，信号可以直接通过；经过交流耦合， 交直流输入耦合 可以过滤被测信号中的直流成分或者慢变 化分量，便于测量高频信号或者快速瞬变 信号【1 】o 电子科技大学硕士学位论文 可以将触发点位置设鼍在波形的任意位置 触发点可任意设定上，从而能灵活的观测触发点之间的信号， 这在观测单次信号时尤其有用。 支持扫描模式，在时基1 0 0 m s d i v 时 在观测频率较低的信号时，使用扫描模式。 在必要的时候停止波形的继续显示，以便 停止膳行模式 观察某一具体时刻的波形。 通道模拟带宽2 0 m h z ，最大实时采样率 这两个要求具有相关性。 1 0 0 m s p s 存储深度即记录采样数据点r a m 的容量。 存储深度决定了数字示波器所捕捉信号的 持续期或者时间分辨率。每个波形的采样 存储深度4 k 点越多，就越能为波形提供更好的描述。 但是高速存储器制造技术的限制，存储深 度不可能无限加长。 幅基范围5 m v d i v 2 0 v d i v 时基范围2 0 n s d i v 1 0 s d i v 显示分辨率3 2 0 x 2 4 0 象素，单色 垂直分辨率为8 位波形的显示精度能够达到8 位 频率、周期、占空比、平均值、有效值、 峰峰值测量功能。 自动测量支持自动检测信号。 1 3 本论文主要工作 本论文主要实现示波表部分硬件电路设计，底层软件设计包括内存管理、消息 队列管理、g u i 设计、波形重建算法的研究。在研究了示波器工作原理的情况下， 与硬件逻辑层软件相结合，实现了用户交互界面设计的实现和各种参数的测量以 及汉字和字符输出技术等。 1 4 论文章节安排 第一章绪论介绍本论文产生的背景，叙述了数字示波表的相关优点，然后展 望了当前技术所能达到的高度，最后给出了课题来源及开发意义。 第二章讨论了开发中涉及到的相关原理，包括采样、插值等。 第三章讨论相关硬件设计、仿真和测试，包括模拟部分、数字部分。 第四章讨论相关软件设计和测试，包括内存管理、图形界面等。 第五章讨论系统总体测试。 第六章介绍了本论文的成果和不足，并陈述了未来研究的内容。 4 第二章数字示波表系统结构设计 2 1 工作原理 2 1 1 采样原理 第二章数字示波表系统结构设计 模拟信号必须数字化才能被数字系统进行处理。采样是模拟信号数字化的方 法，是指按照规定时间间隔对信号进行取样，度量模拟信号的幅度，并用数字来 表示这一幅度。这些获得数据会被临时存储到一个快速存储器中并用来获得信号 相关信息并重建波形，如图2 1 ： 输入信号 采样时刻 uuu uuuu 图2 - i 采样示意图 在数字示波器所使用的采样方式中包括实时采样和等效采样。 实时采样是最明显和最直观的采样方式，这样的取样方式只需简单地在时间 上分布取样点。实时采样可以捕获单次信号。此时，示波器测量重复信号和单次 信号具有相同的带宽，称为实时带宽( r e a l t i m eb w ) 。为了提高带宽，必须提高 采样速率。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须至少是被测信号最高频率的2 倍5 1 。 一般说来，示波器带宽表示正弦信号输入幅度衰减3 d b 时的频率，而被测信 号中可能含有高频分量，这样采样频率如果只是实时带宽的2 倍而不是被测信号 上限频率的2 倍，就会产生混叠失真。为了避免这种现象的发生，目前实时采样 示波器的采样频率一般规定为带宽的4 5 倍，同时还必须采用适当的内插算法【2 1 。 实时取样中，存储深度非常重要，一般采样率越高，波形分辨率和清晰度就 越高，重要信息丢失的概率也越小，当然需要的存储空间越多。当然也可以降低 取样率，但要以降低带宽和时间分辨率作为代价。 随机采样指在每个采样周期采集一定数量的样点，通过多个采样周期的样点 电子科技大学硕士学位论文 积累，最终恢复被测波形。由于本课题采用实时采样，没有采用随机采样，故不予 以介绍。 2 1 2 插值原理 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。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函数，用这个重建 的函数便可以求出任意位置处的函数值。这样便可以不受仅在采样点处抽取输入 信号值的限制。一般情况下，每个周期内所采到的采样点数是有限的，要想完整 的显示一个周期的波形，就必须进行插值处理。对有限带宽的信号进行采样，产 生无限带宽信号，插值则正好相反，它通过对低通信号进行滤波处理，减少了信 号的带宽。插值对采样得来的数据进行平滑，恢复了在采样过程中丢失的信息。 这样来看，插值是采样的逆过程【6 1 。 对于等间隔采样数据，插值可以表示为： 坐 侧= g 姆一再) ( 2 1 ) 脚 其中h 为插值核，g 为权系数，卷积对个数据作处理。上面的方程将插值 用卷积操作来表示，在实际应用中，h 总是对称的，即有h ( x ) = ( 工) ，g 即为采 样值。插值核的性质可以通过其在频率域的特性来评估。理想的插值核在带通区 具有单位增益，在带阻区具有0 增益。因而可以有效地通过和抑制不同频率的信 号成分。 根据采样定理，当采样频率正不低于两倍的信号的最高频率时，信号能从采 样信号中完全恢复。即从理论上说，只要f 2 f ，信号就能完全恢复。在实际应 用中，由于系统存在噪声，常取工；2 j 铂，甚至更大。在本系统中取u s = 名。 依采样定理可得恢复波形的方法： x ( n t s ) = 1 j 蠢衰丽 式中工= 烁。 这是理想的取样函数( 即s i n c 函数) 内插方法，实际应用中由于有限项的近似， 常采用带有加权窗口函数的取样函数来实现。方法如下： 2 第二章数字示波表系统结构设计 ，= 言砌黝篙笔塞警喇 协。， 式中2 彤，w ( n ) 是加权窗函数。 2 1 3 触发工作原理 模拟示波器中，适当触发的波形有预知的、重复的起点，能够在屏幕上显示 稳定的图形。波形上的触发点通常采用电压电平或者正、负斜坡，触发电平决定 在触发点发生触发的电压电平，触发斜坡确定波形上升或下降部位是否产生触发。 由于只有当触发信号出现后才产生扫描锯齿波，处理被测信号，因此只能观测触 发点以后的波形。在数字示波器中，也依靠触发信号在屏幕上显示稳定波形，但 是与模拟示波器不同的是即使无触发信号，数据采集是一直在工作的，这样就给 观测触发点以前的波形提供了可能。 由此可见，触发就是指开始处理波形的条件，因为观测人员需要的显示波形 的条件是多种多样的，所以触发也就有很多种。大致来讲，根据触发信号的来源 不同，可以分为内触发和外触发；根据触发机制不同，可以分为同步触发、预触 发和后触发；根据触发边缘不同，可以分为上升沿触发和下降沿触发；根据触发 事件的不同，又可以分为状态触发、毛刺触发、时间限定触发等1 2 1 。 本论文讨论的数字示波表采用电平内触发，即触发源是输入信号本身，当信 号达到系统设定的触发电平时就产生触发1 】 2 。 l 厂、厂、厂、 l ? l ，7 l 触发点触发点触发点 正确触发后 的显示波形 图2 - 2 触发原理图 触发信号处理模块主要功能是为f i f o 存储模块提供触发信号。由于示波表的 波形显示的特点是在连续的波形中分段截取并显示，如图2 2 所示。 3 电子科技大学硕士学位论文 触发后的一段时间内，触发电路不能继续工作，以免出现混乱，所以需要触 发闭锁信号。触发闭锁信号使得结束一次扫描后的一段时间内，触发电路不能工 作。 2 2 系统相关概念 2 2 1s o p c s o p c 即片上可编程系统( s y s t e m o na p r o g r a m a b l e c h i p ) ，最早是由a l t e r a 公 司在2 0 0 0 年提出的。s o p c 技术的目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 f p g a 中实现，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市 周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计以i p 为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具，自 动化、智能化地自项向下地进行【l j 【”。 a l t e r a 公司通过其提供的工具s o p cb u l i d e r 进行。s o p cb u i l d e r 的组件库包含 了从简单的固定逻辑的功能块到复杂的、参数化的、可以动态生成的子系统等一 系列的组州8 1 。这些组件可以是从a l t e r a 或其他的第三方合作伙伴购买来的i p 核， 可能它们其中一些是可以免费下载用作评估的。用户还可简单地创建他们自己的 定制的s o p cb u i l e r 组件。s o p cb u i l d e r 库中已有的组件包括如下内容【7 j ：片内处 理器、片外处理器的接口、i p 外设、存储器接口、通用的微型外设、通讯外设、 桥接口、数字信号处理( d s p ) i p 、硬件加速外设等。 通过这些接口，用户可以方便的实现各种系统。c y c l o n e 系列芯片就是一种让 用户可以实现这些系统的f p g a 芯片。a l t e r ac y c l o n e 器件基于成本优化的全铜 1 5 vs r a m 工艺，容量从2 9 1 0 至2 0 0 6 0 个逻辑单元，具有多达2 9 4 9 1 2 位嵌入r a m 。 c y c l o n ef p g a 支持各种单端i o 标准如l v t t l 、l v c m o s 、p c i 和s s t l 一2 3 ，通 过l v d s 和r s d s 标准提供多达1 2 9 个通道的差分i o 支持。每个l v d s 通道高达 6 4 0 m b p s 。c y c l o n e 器件具有双数据速率( d d r ) s d r a m 和f c r a m 接口的专用电 路。c y c l o n ef p g a 中有两个锁相环( p l l s ) 提供六个输出和层次时钟结构，以及复 杂设计的时钟管理电路，c y c l o n ef p g a 具有以下特性1 7 j ： 新的可编程构架通过设计实现低成本 嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理( d s p ) 实旋 专用外部存储接口电路集成了d d rf c r a m 和s d r a m 器件以及s d r 4 第二章数字示波表系统结构设计 s d r a m 存储器件。 支持串行、总线和网络接口及各种通信协议 使用p l l s 管理片内和片外系统时序 支持单端i o 标准和差分i o 技术，支持高达3 l l m b p s 的l v d s 信号 处理能力支持n i o si i 系列嵌入式处理器 采用新的串行配置器件的低成本配置方案 通过q u a r t u si i 软件o p e n c o r e 评估特性，免费评估i p 功能 q u a r t u si i 网络版软件提供免费的软件支持 一般说来，使用s o p c 技术开发的系统多数会使用其嵌入式c p u 软核n i o s i l 哂 作为主处理器，n i o s i i 的特性如下【9 】【10 】： 表2 - 1n i o s l i 特性列表 3 2 位指令集 3 2 位数据线宽度 c p u 结构3 2 个通用寄存器 3 2 个外部中断源 2 g b y t e 寻址空间 基于边界扫描测试( j t a g ) 的调试逻辑，支 片内调试持硬件断点，数据触发，以及片外和片内的 调试跟踪 最多达2 5 6 个用户定义的c p u 指令，这可以 定制指令 用来增强系统功能。 n i o si i 的集成化开发环境( i d e ) 软件开发工具基于g n u 的编译器 硬件辅助的调试模块 n i o s l ic p u 具有快速( f a s t ) ，经济( e c o n o m i c a l ) ，标准( s t a n d a r d ) 三种系列 的成员，用户可根据性能和尺寸的实际需要选择。除此之外，n i o s l ic p u 还支持 多种系列的c p u ，当然c y c l o n e 在支持之列。 电子科技大学硕士学位论文 c p u 与其它外设的通信通常都是通过总线进行的，a l t e r a 公司提供了a v a l o n 总线来完成这个功能。a v a l o n 总线是a l t e r a 公司设计的用于s o p c 中连接片上处理 器和其它i p 模块的一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的 端口和通信的时序】。 传统的总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。 这种结构会产生个瓶颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。a v a l o n 总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁( s l a v e s i d ea r b i t r a t i o n ) 的技术，允许多 个主设备控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备时，从设备 仲裁器将决定哪个主设备获得访问权。a v a l o n 开关结构优化了数据流，从而提高 了系统的吞吐量【1 2 】。 a v a l o n 总线在3 3 5 节中有详细介绍。 2 2 。2pc o s i i 操作系统( o s ) 可以使得开发过程变得更容易，更有效率，它为开发带来的 好处是毋庸置疑的，并且n i o s l i 可以运行操作系统。在操作系统方面，本项目决 定使用! - tc o s i i 。1 1c o s i i 由m i c r u m 开发，它并非是一个完整的实时操作系统， 而只是一个基于优先级的抢占式实时内核。但此内核依然具有任务调度与管理， 时间管理，任务间同步与通信，内存管理和中断服务等；同时它结构小巧，执行 效率高，占用空间小，实时性能优良，可扩展性强，最大限度地提供了系统设计 的灵活性，1 c o s i i 的详细资料在本文中不再赘述，如果需要可以查看其他资料。 按照a l t e r a 公司和m i c r u m 。的协议，a l t e r a 在其发布的n i o s l i 开发包中自带有 嵌入式操作系统m i c r o c o s i i 。这是一个精简版的1 tc o s i i ，仍然具有其内核的 基本功能，并且免去了操作系统移植的麻烦，可以加快开发的进度 1 3 】。 但是，基于o s 的设计依赖于具体的o s 仍然是危险的，一个设计的比较好的 软件应该能够很方便的在各种o s 上移植，所以本系统在设计时应该注意这个问 题。 2 3 系统结构设计 本系统分为两大部分，包括硬件部分和软件部分，其中，硬件部分又分为模 拟和数字两个部分，如图2 3 所示。 6 第二章数字示波表系统结构设计 羹嚣捌蘸骥 模拟部分 l 瀵滋蓊蒸囊嚣鬻 巨荔；蓊囊囊攀藜凌攀黎 图2 3 系统结构图 硬件部分包括模拟部分及数字部分，模拟部分的职责为对被测输入模拟信号 进行处理，具体有模拟信号调理，即对模拟信号进行放大、衰减、限幅等；触发 信号产生，即将模拟信号整形，产生对应的触发信号。数字部分负责a d 转换器 采样后的数据处理，提供了高速数据采集、触发信号逻辑、频率测量、数据传送、 显示控制等功能，此外，还包括一个c p u 模块，它是系统软件运行的基础。 依据本课题实际开发情况，硬件方面决定使用s o p c 技术。s o p c 技术是近年 来新出现的技术，它使得用户可以方便的更改系统，且更改可以深入到系统硬件 部分，具有很大的灵活性。本系统的设计目标是使用a l t e r a 公司的c y c l o n e 。系列 产品作为硬件基本平台，使用单芯片上集成的n i o s l l c p u 软核、示波表系统外设 逻辑及存储单元来构成示波表的数字部分，外加通道部分电路即可构成示波表的 硬件系统。如果客户需求发生变化，由于数字模块构建于s o p c 技术，因此可以方 便更改系统，与系统软件升级不同的是，更改可深入到系统硬件部分，从底层改 变或添加系统的功能，由此带来的灵活性是很强的。 软件部分在硬件模块提供的服务上，负责系统控制和数据处理，包括系统初 始化控制，程序主流程控制，系统显示功能控制，f i f o 数据采集模块控制，用户 界面交互，数据处理等功能。 示波表属于实时性较强的仪器，对各种任务的实时性要求严格，例如在显示 波形时要求不丢失数据，处理用户按键要及时等。因此，本系统软件采用了嵌入 操作系统进行任务调度，对于实时性要求较高的任务赋予高优先级，数据计算任 务给予较低优先级。除了采用嵌入操作系统外，系统还提供了人机界面以方便用 户交流。软件系统按照层次划分进行开发，每层分别完成不同功能，以方便开发 和调试。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章数字示波表硬件设计与实现 本课题进行开发的数字示波表数字部分主要使用s o p c 技术，所以整个示波表 的硬件系统主要包括嵌入式处理器n i o s i i 、相关外围器件、模拟通道部分组成。本 章的主要目标是描述硬件设计的核心部分。 3 i 硬件环境介绍 q u a r t u si i5 0 是a l t e r a 公司提供的s o p c 设计的一个综合开发环境，集成了一 下功能：系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑器件设计、综合、布局和布 线、验证和仿真。 电路原理图设计和p c b 绘制使用p r o t e l9 9 s e 。 3 2 模拟部分 模拟部分采用已有电路，但在两个地方作了改动。 3 2 1 通道控制 n i o s i i 的发出的控制指令有些必须变换成模拟信号，才能控制通道中的某些参 数。m a x 5 5 9 0 就是完成这个任务的一个d a c 。 m a x 5 5 9 0 是8 通道、1 2 位、电压输出d a c ，提供缓冲输出，在1 2 位转换时 建立时间最长3 ”s 。这款d a c 工作于+ 2 7 v 至+ 5 2 5 v 模拟电源和一个独立的+ 1 8 v 至+ 5 2 5 v 数字电源。兼容于2 0 m h z 、3 线s p l l m 、q s p l l m 、m i c r o w i r e t m 串行 接口以及数字信号处理器( d s p ) 协议。多个器件可共享一个串行接口，采用直接访 问或菊花链配置。m a x 5 5 9 0 提供2 个多功能、用户可编程的数字i o 端口。外部 可选择d a c 输出上电后的状态为零、量程中点或满量程值。软件可选的f a s t 和 s l o w 设置模式可以在f a s t 模式下减少所需的建立时间或在s l o w 模式下降低 电源电流。m a x 5 5 9 0 提供单位增益输出缓冲器，采用节省空间的2 4 引脚和2 8 引 脚t s s o p 封装【i “。 8 第三章数字示波表硬件设计与实现 a d r 2 9 2 是a d 公司的精准电压参考( p r e c i s i o nv o l t a g er e f e r e n c e s ) ，在4 4 v 到1 5 v 供电电压范围内，输出电压为4 0 9 6 v 15 1 。 在系统中，m a x 5 5 9 0 连接电路图如图3 - 1 ： _ _ h 一卜h 卜 _ | ir - t _ ； ” m m j 川i p件；沁望廿 m h 一 卜卜 _ t ? 1 r 1 r 1 - 睦障 士 疑擀 磕挂群h 。茜_ = ；_ r l 【铽l j 。f = i 一 一h 需 鬻露凹l | l f ! | 一l ， - j ! f r ； i - l 卜 r卜 l - _ ； i群丰， 划l 叫l l r i 虫 。( - i | jr# - l j 1 1 筐摩 中 十 +* 卜| = _ # 譬并1 | = = ：；一 j ， m l 嘲铬 陪| - 制一 m e c j 0 + 1 _ _ l | = 士 t 、1 ， 琳 t 二li j # ：0 u t 卜 w蒂书牛嚣斗射手。 。千# 1 l 个ll j - 1 1 1 l 一卜_ _ ；一1 _ 一j 啸群 # 髀i i + + i 】 卜 制 = f l 由 阵丰 + 一一卜 h h k 1 - 。广 j l l 割 斗专卜 一 l ： ；一 二=叫 h h * 口c 乏2 一灶划= 扛l 一 _ + 呈呈星望宕三 + - h 一 * 弭 i - l 一r t _ i 一 | i ； ill ： i ii j ： 卜十卜 i h j - * u 卜b十卜 i ： 1 l i - jf h l ! i l 节h 卜卜 m 一 一 r r l | jl ，! ji ；j i # = = i 寸 鞲- 十- ! - - 十u h a - 一h - - l _ ：- -瑚制拙士瞄：j 士：挂挂i 赶挝挂i ：1 一 i li+l-ji ，j l 1 ： 图3 - im a x 5 5 9 0 电路原理图 在电路中，由于p u 引脚接到d g n d ，所以在加电的时候，8 个输出脚全部为 0 ，避免了可能带来的冲击。d s p 到地表示在s c l k 的下降沿传输数据。 m a x 5 5 9 0 产生的移位电平和触发电平处在啦4 0 9 6 v 之内，但是系统要求这两 个电平要位于一1 m v 之内，不能满足要求，所以还必须进行转化，本次设计中，这 个转化是通过集成运放来完成的，显然需要四个集成运放。m a x 4 9 4 就是一款可以 满足要求的集成运放。 m a x 4 9 4 是m a x i m 公司出品的一个单电源供电，4 路轨对轨( r a i l 。t o ，r a i l ) 输出的集成运算放大器，其具体参数可以查看参考文献。 根据集成运算放大器“虚短，虚断”的特性，m a x 4 9 4 电路原理图比较简单， 就不再多作解释。 3 2 2a d c 采样 本项目a d c 选择的是a d i 公司的a d 9 2 1 8 ，是a d i 公司推荐用于移动或者便 携设备的一款芯片，其基本性能如下 1 6 】： 9 皇兰型垫查堂堡主兰垡垒壅一 两个1 0 位a d 通道，采样率每通道最高1 0 5 m s p s 。 功耗为2 7 5 m w 每通道+ 1 0 5 m s p s 。 自带参考电压和采样保持电路。 每通道3 0 0 m h z 模拟带宽。 s n r = 5 7 d b 4 1 m h z 。 1 v p p 或者2 v p p 每通道。 单电压供电 掉电模式 采用4 8 脚l q f p ( 4 8 一l e a dl o w p r o f i l eq u a df l a tp a c k a g e )