（检测技术与自动化装置专业论文）500msps手持式示波器底层软件与接口模块设计.pdf

摘要 摘要 数字存储示波器是现代测试领域中不可缺少的测量工具，能直观的显示被测信 号的时域特征，被广泛的应用于各个领域。数字万用表功能完善，体积小，操作简 单，准确度高，是电子测量领域使用最广泛的工具之一。 手持式数字示波表由于兼具数字存储示波器和数字万用表的所有测量功能和 技术特性，体积小、重量轻、功耗低，特别适合于野外、机动等使用场合。 目前，国外的手持式数字示波器在市场上处于垄断地位，国内的研究起步较晚， 且市场上多为低端产品。本课题在此背景下提出，为我单位同某公司合作研发手持 式数字示波器项目。本论文是基于该项目的手持式示波器软件设计方案，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，在a d i 公司的v i s u a ld s p + + 平台下进行的示波器软件设计。在设计中采用模块化设计思想，其具体内容包括： 1 底层存储、显示驱动软件，键盘接口模块：着重介绍了基于1 2 c 总线协议 的铁电存储器( f r a m ) 读写控制和f l a s h 读写控制，实现菜单、波形、设置的存储； 给出了一种合理的方案，以减少对某一块区f l a s h 进行擦除和读写的次数：波形 显示软件设计采用乒乓设计方法提高显示效率；设计键盘接口，实现正常按键， 长按，组合键等多种按键方式。 2 自校正和自动设置模块：通过自校正，使用户可以方便地将手持式示波 器设置到正确的参数，达到设计指标，满足大规模生产需要。使用户可以通过自 动设置功能，快速方便地显示未知信号的波形。 3 数字万用表( d m m ) 模块模块：6 0 0 0 字数字万用表软硬件设计，实现自动档 和手动档两种量程模式选择。测量功能包括交直流电压，交直流电流，电阻， 二极管，通断测试，电容等。 4 系统更新模块：使用户可以通过u s b 设备实现软件系统更新升级。 关键词：手持式示波器，存储控制，接口控制，数字万用表，系统更新 a b s t r a c t a b s tr a c t t h ed i 百t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) i sa l li n d i s p e n s a b l ei n s t r u m e n ti nm o d e r n t e s t i n gf i e l d ，c a l ld i s p l a yt h et i m e d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fm e a l s u r e ds i g n a l si n t u i t i v e l y , i tw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s t h ed i g i t a lm u l t i m e t e r ( d m m ) h a v em a n ym e a s u l e f u n c t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls i z e ，o p e r a t i o ns i m p l e l ya n dh i g ha c c u r a n c y , t h i s m a k ed m mb e c o m eo n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dt o o l si ne l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t f i e l d s h a n d h e l dd i g i t a lo s c i l l o s c o p eh a v eb o t ha l lm e a s l l r e m e n tf u n c t i o n sa n dt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fd s oa n dd m m ，i th a v es m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ta n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ei nt h ew i l da n dm a n e u v e r i n g s i t u a t i o n a tp r e s e n t ，f 0 而g hh a n d h e l dd i i g i t a lo s c i l l o s c o p ec o m p a n yh o l dt h em o n o p o l y s t a t u si nt h em a r k e t ，b u td o m e s t i cr e s e a r c hs t a r t e dl a t ea n dc a l lo n l yd e s i g nt h el o w e n d p r o d u c t s t h et o p i c sr a i s e di nt h i sc o n t e x t , i sac o o p e r a t ep r o j e c to fm yd e p a r t m e n ta n da f o r e i g hc o m p a n y t h i sp a p e ri st h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h ep r o j e c to fh a n d - h e l d d i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，w h i c hh a st h ec o r eo fe 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 ) ， u s e st h ef r a m e w o r ko fd s pa n df p g a , a n dp r o c e s s e su n d e rt h ev i s u a ld s p + + p l a t f o r mo fa d ic o m p a n y t h i sp r o j e c ta d o p t e dt h em o d u l a rd e s i g n ，t h ed e t a i ld e s i g n i n t r o d u c e da sf o l w i n g ： 1 d e s i g nd r i v i n gs o f t w a r eo fs t o r a g ea n dd i s p l a y ，k e y b o a r di n t e r f a c em o d u l e ：i t e m p h a s i z e dt h er e a d w r i t e c o n t r o lo ff l a s ha n d h i g hs p e e df r a mw i t h 1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) i n t e r f a c e ，w h i c hu s e dt os t o r a g ew a v e f o r md a t aa n ds e t t i n g ， p r o p o s e dar e a s o n a b l em e t h o d t od e c r e a s et h et i m eo fr e a d w r i t ea n de r a s et ot h eb l o c k o ff l a s h ，w a v e f o r md i s p l a y i n gm o d u l eu s e dp i n g p o n gm e t h o dt oi m p r o v ed i s p l a y i n g e f f i c i e n c y , d e s i g nk e y b o a r di n t e r f a c ea n dr e a l i z en o r m a lp r e s s ，l o n gp r e s s ，c o m p o s i t e k e y sr e s p o n s e 2 a u t o - c a l i b r a t i o na n da u t o s e tm o d u l e s ：a u t o c a l i b r a t i o nc a ns e ta p p r o p r i a t e p a r a m e t e rt oh a n d - h e l dd i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，s a t i s f yd e s i g nt a r g e ta n dm a s sp r o d u c t i o n b yu s i n gt h ea u t o s e tf u n c t i o n ，m s e t sc a l lm a k et h ed s od i s p l a yw a v e f o r mo fu n k n o w n s i g n a lq u i c k l ya n dc o n v e n i e n t l y 3 d i t i t a lm u l t i m e t e r ( d m m ) m o d u l e ：d e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f6 0 0 0 u a b s t r a c t c o u n t sd m m ，w h i c hh a sa u t or a n g em e a s u r ea n dm a n u a lr a n g em e a s u r em o d e s i n c l u d e d c a cv o l t a g e ，d c a cc u r r e n t ，r e s i s t o r , d i o d e ，c o n n e c t i v i t ya n dc a p a c i t o rm e a s u r e f u n c t i o n s 4 u p d a t em o d u l e ：u s o r sc a nu p d a t et h es y s t e ms o f t w a r e 州mu s be q u i p m e n t k e y w o r d s ：h a n d - h e l dd i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，s t o r a g ec o n t r o l ，i n t e r f a c ec o n t r o l ， d i t i t a lm u l t i m e t e r ( d m m ) ，u p d a t e i i i 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) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章引言 1 1 手持式数字示波器概述 第一章引言 手持式示波器又称示波表，手持式示波表，它是在数字示波器的基础上发展 而来的，在介绍手持式示波器的相关内容之前需要对数字示波器进行概述。 示波器是电信号的基本测量工具，它能对电信号就行时域测量，形象地显示 信号幅度随时间的变化波形，对输入信号进行分析计算，是一种电信号的综合测 试仪器，是电子测量仪器的基本种类，在电信号的测量领域扮演着非常重要的角 色【i 】o 示波器分为模拟示波器和数字示波器，传统的模拟示波器信号带宽频率受到 阴极射线管的限制而不可能太高，对瞬变信号的捕捉能力较低，而且不便于存储， 数据处理能力有限，因而在许多应用领域中存在着局限性。数字存储示波器( 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，它以数字编码的形式来量化和 贮存信号，在显示方式、数据处理、波形保持和存储等方面都不同于传统的模拟 示波器，因而在某些应用领域有其优势。随着现代电子技术特别是集成电路的发 展，数字存储示波器无论在性能、使用、操作还是在故障诊断上都取得了巨大的 进步。微处理器的引入，使数字存储示波器实现了自动设置，自动校正等功能， 操作更加简单方便，智能化水平得到很大的提高【l 】。 数字存储示波器与模拟示波器相比有以下主要特点： 具有先进的触发功能，可以显示大量的预触发信息。 有自动设置、自校正等自动功能，简化了使用者的操作，使仪器更智能化。 可以对超低频信号扫描，并具有单次信号捕捉能力。 可以方便、快速、长期存储波形。 可以方便的将测量数据输出到计算机或其他设备，便于后续处理。 测量精度高。 可以利用d s p 强大的数据处理能力，进行多种数学运算、参数测量及显示。 数字存储示波器利用a d 将被测的模拟信号采样转化为数字信号，数字信号 经抽点插值等相关处理之后存储于r a m 中，需要显示时再从r a m 中读出，经过 相应的处理显示到l c d 上。在显示界面方面，开发人员可以根据需要设计出一 电子科技大学硕士学位论文 套极具风格的示波器界面，满足各种不同的设计需要和操作习惯。至于波形显示， 数字存储示波器不仅可以观测周期性重复信号，还可以无闪烁的观察频率很低的 信号，甚至单次或随机信号，这是因为数字存储示波器采用的是实时取样【2 】【3 1 。 虽然数字存储示波器有以上特点，但是因为它必须使用交流电源，在使用场 合上受到部分限制，为了满足野外和工厂车间等场合的特殊要求，产生了便携式 数字存储示波器，也就是手持式示波器，有些手持式示波器中还集成了数字万用 表功能，所以有时候也被称作示波表。其主要功能覆盖数字存储示波器和数字万 用表这两类应用最广泛、最普及的仪器仪表。 手持式示波器是在数字示波器的基础上发展而来的，它应该能够对一些基本 的波形进行测量、处理及显示，另外，作为现场使用的示波器，手持式示波器需 要有对信号进行长时间观测的能力。这类示波器的特点具有尽可能多的现场应用 功能，例如要能脱离交流电源工作，便于携带等。而且有些手持式示波器还集成 了数字万用表功能，能够测量直流交流电压、直流交流电流、电阻，二极管压降 等功能，这些功能都使得手持式示波器的应用更加广泛【4 】。 受现场应用功能的限制，手持式示波器在某些功能上( 如带宽，采样率) 不如数 字示波器的指标高，但是相比之下它却有着一些自己的优点： 1 体积小，重量轻，便于携带。 2 带有数字万用表的功能，能够测量直流交流电压、直流交流电流、电阻、 二极管、通断、电容等。 3 电池供电，可以脱离其他电源工作，方便的应用于各种野外，厂房等地方。 4 价格相对便宜。 正是这些优点，使其越来越多的被应用于车间现场、野外等远离交流电源的 地方，给使用者带来了很大的方便，使手持式示波器类产品也在示波器大家族中 占有着重要的地位。 目前，市场份额比较大，功能较为完善手持式示波器的是美国的f l u k e ( 福禄 克) 公司生产的一系列产品。此外，示波器龙头泰克公司，安捷伦也有相关手持式 示波器产品，国内品牌有：优利德公司，厦门o w o n ，成都五行，中健电气，漳 州利普等。手持式示波器的带宽一般都在2 0 m h z 以上，相对来说国外品牌的性能 指标会好些，但价格也比较昂贵。 2 第一章引言 1 2 国内外手持式示波器发展现状 目前，国内外从事数字示波器研究和开发的厂商很多，高采样率，高带宽的 示波器不断推向市场，示波器的研制与生产得到飞速的发展。各个传统示波器生 产公司不断推出采样率更高，带宽更高，功耗更低的新产品。t e k 公司的示波器 一直处于行业领先地位，被世界公认为示波器的权威。其生产的t d s 7 7 0 4 b 可提供 高达7 2 5 g h z ( 典型值) 的有效模拟带宽、直至4 3 p s 的上升时间( 2 0 至8 0 ) 和2 0 g s s 的最大实时取样速率，4 个通道采样率为5 g s s ，等效时间采样率达到1 t s s 。 一枝独秀的d p x 信号采集技术，可使波形捕获速度高达每秒4 0 0 ，0 0 0 个，可在几 秒或几分钟内，迅速发现罕见的毛刺。使其不仅可以进行信号完整性、抖动和时 序分析，高精度设计的检测、调试和鉴定，还可以用于速率达4 2 5g b s 串行数 据流产品的设计开发及一致性测试，频谱分析，瞬态现象的探究等。 手持式示波器的发展较示波器较为滞后，尤其体现在带宽和采样率方面，这 主要是因为手持式示波器要考虑低功耗、小体积等因素。 在国外，手持式示波器的主要生产厂商是美国f l u k e 公司，t e k 公司、a g i l e n t 公司和l e c o r y 公司，国内生产手持式示波器的公司主要有优利德，厦门o w o n 。 由于技术等相关因素影响，国外手持式示波器仍然是市场上的主流产品。国 内手持式示波器的研究起步较晚，技术沉淀不深，主要是从事中低端手持式示波 器的研究和生产。目前，市场份额比较大，功能较为完善的是f l u k e 公司的手持 式示波器。 f l u k e 公司在二十世纪九十年代相继推出高性能的手持式宽带数字存储示波 器产品，并长期垄断国际国内市场，目前f l u k e 公司的主要产品是f 1 9 9 c ，技术 指标高，功能强，代表当今国际最高水平。表1 - 1 比较了f l u k e 和a g i l e n t 两公 司的三款示波器的主要性能参数。 表1 1 常见国外示波器产品主要指标 型号 f l l l l 【e f l9 9 c a g i l e n tu 16 0 0 a f l u k ef 19 9 b s 带宽 2 0 0 m h z 4 0 m h z 2 0 0 m h z 最大实时采样率 2 5 g s s 2 0 0 m s s 2 5 g s s 示波器模式下最大记 录长度 每通道1 2 0 0 点每通道1 0 0 0 点 电子科技大学硕士学位论文 示波器记录模式下最 大记录长度 2 7 5 0 0 点通道1 2 5 0 0 0 点通道2 7 5 0 0 点通道 输入灵敏度5 m v d i w l 0 0 n | 心 5 m n | 献v 1 0 0 n | 心5 m v d i v l0 0 v d i v 正常、单次、边沿、 正常，单次，边沿，正常，单次，边沿，延 触发方式延时、视频、可选脉 脉宽，码型，视频时，视频，可选脉宽 宽、外部 时基范围 5 n s d i w 2 m i n d i v2 n s d i v 一2 m i n d i v5 n s 2 m i n d i v 数学功能 + - + ，- ，f f t ，d w m + 。一 5 0 0 0 字，电压、电流、6 0 0 0 字，提供2 2 种自5 0 0 0 字，电压、电流、 数字万用表电阻、通断、二级管、动测量功能，1 1 种内电阻、通断、二极管、 温度测量置测量功能温度测量 d c 精确度 士o 5 4 ( o 3 + 0 0 8 ) i - o 5 电池工作时间4 h4 h4 h 由上表可以看出，目前国外示波器性能较以前有很大提升，带宽，采样率， 存储深度都有很大提高，数字万用表方面则主要表现在测量功能增加，精度提高 等方面。 1 3 系统主要性能指标 着眼于手持式示波器行业的发展方向，根据国外手持式示波器的发展现状和 国内手持式示波器的实际技术水平，结合实际市场需求，本项目提出的主要技术 指标如下： 模拟带宽：1 0 0 m h z ，2 0 0 m h z 带宽选择：全带宽，2 0 m h z 实时采样率：5 0 0 m s p s 采样获取模式：普通采样，峰值检测，平均 垂直灵敏度范围： 1mq 5 m v d i v - - 5 0 v d i v ( 1 2 5 步进) 扫描范围： 5 n s d i v - - - 5 0 s d i v 4 第一章引言 最大输入电压：4 0 0 v ( d c + a c 峰值、1 m q 输入阻抗) ( 1 0 ：1 探头衰减) ， 5 v ( v r m s 、5 0q 输入阻抗、b n c 处) 输入阻抗：1mq 2 ，与1 3 p f 3 p f 并联 通道间时间延迟：1 5 0 p s 上升下降时间：2 3 n s 预触发能力：正常模式扫描模式、预触发延迟触发，预触发深度可调 视频触发：支持标准的n t s c 、p a l 和s e c a m 广播制式，行数范围是 1 5 2 5 ( n t s c ) 和1 - 6 2 5 ( p a lc a m ) 释抑范围：l o o n s 一1 5 s 脉冲宽度范围：2 0 n s 1 0 s 数学：加，减，乘，除，反相，f f t ( h a n n i n g ，h a m m i n g ，b i a c k m a n h a r r i s ，r e c t a n g u l a r ) 接口：u s bh o s t 存储深度：最高采样率下的最大深度存储深度：不小于6 k 每通道； 记录长度： 5 1 2 k 2 存储波形：1 0 组波形、1 0 种设置 频率测量：1 0 h z 1 0 m h z精确度( 0 1 + 3 个量化字) 显示语言种类：至少支持中文简体，中文繁体，英文 数字万用表显示位数：35 6 位( 5 9 9 9 显示) 万用表测量功能：交直流电压，交直流电流，电阻，二极管，通断，电容 万用表测量量程模式：自动量程测量手动量程测量 电源电压：2 2 0 v 5 0 h z 、可充电锂离子电池、消耗功率 2 ( 上升) 、延迟1 - 2 ( 下降) ；突发脉冲宽度、 相位、周期平均值、周期均方根值、面积、周期面积 电子科技大学硕士学位论文 存储设置调出功能：在存储菜单可以选择将屏幕上显示的波形或参数存储到 f l a s h 或者u s b 设备中：在回调菜单可以选择将存储过的波形或参数回调出自动量 程和时基：对任何一种未知的信号，按示波器面板的“自动 键，波形以适当的 时基和幅度显示在屏幕上。 滚动显示功能：当自动触发模式处于比5 0 m s d i v 慢的时基时，屏幕处于滚动 显示方式，波形从屏幕的左端滚动至屏幕的右端。 触发特性：有多种触发源，触发方式有自动，正常，和单次，有预触发功能。 a c q u i r e 方式：有采样、峰值检测、平均和包络四种捕捉方式；平均次数可 选4 1 6 3 2 6 4 1 2 8 次 解析度：2 4 0 点3 2 0 点，其中：纵向8 格2 5 点，横向1 2 格2 5 点 1 4 本论文的设计任务 本文的设计任务只要是对手持式数字存储示波器的部分软件模块进行设计， 主要是示波器的存储器读写控制，显示驱动控制和系统更新模块设计，另外，设 计6 0 0 0 字数字万用表模块硬件和软件代码编写，对键盘接口进行设计并编写软件 代码。主要软件模块包括： 底层驱动模块：主要是底层存储器的访问驱动，包括铁电存储器f r a m 读写 驱动，f l a s h 读写驱动，l c d 显示驱动方案的设计和实现。 接口设计：主要是键盘模块，包括键盘单片机控制硬件电路设计，软件扫描 程序设计。 自校正和自动设置：主要设计包括零偏校正，触发零电平校正和自动设置功 能的设计。 数字万用表模块：此部分主要是在手持式示波器上实现数字万用表功能，设 计内容包括硬件电路设计，软件控制程序，数据处理及显示程序设计等。 系统更新模块：主要设计实现系统启动加载并提供系统更新功能，使用户可 以通过u s b 更新系统主程序，实现示波表软件升级。 以上软件设计使用语言主要是c 语言，底层f l a s h 驱动会使用部分汇编语言， 硬件设计需要使用p r o t e l 和m e n t o r 等设计工具，其中键盘p c b 设计用p r o t d 实现， 数字万用表p c b 设计采用m e n t o r 实现。 本设计中采用模块化设计思想，键盘和主板间采用接口控制，主板提供电源， 键盘模块独立完成扫描控制和键码获取、发送功能，并通过串行口传给d s p 。数 6 第一章引言 字万用表也采用此设计思想，万用表和主板采用接口通信，主板通过此接口提供 电源和控制信号，万用表完成测量并通过r s 2 3 2 将测量结果传送回d s p ，d s p 内 部对测量数据进行分析处理并送l c d 显示，需要注意的是在此模块硬件设计中需 要加入隔离网络，实现数字万用表电源、控制信号和测量数据的隔离。软件设计 中同样采用模块化设计思想，一个功能模块的是否选择通过宏定义实现，同模块 的代码实现打包，和外界通信通过接口函数实现。这样设计的好处是每个模块和 其他模块的关系明确、简单，和其他模块的通信完全通过接口函数实现，方便其 他模块调用，增加了程序的灵活性和可维护性，以后的移植和升级也有方便。 1 5 本章小结 本章介绍了数字存储示波器的基本原理，概述了数字存储示波器和手持式数 字存储示波器在国内外的发展状况，并对三款先进的手持式示波器进行了性能分 析和比较，结合国内外现状给出了本手持式示波器系统的主要技术指标和功能要 求，最后介绍了本文的设计任务和初步设计思想。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章手持式数字示波器系统设计概述 2 1 系统硬件总体设计 目前数字示波器系统设计中普遍采用的是d s p + f p g a 架构，这也是现行较为 成熟的数字示波器总体架构，这种架构设计灵活，继承性好，便于升级维护。本 设计也采用此设计方式。f p g a 是前端硬件控制电路的核心，用于对前端硬件进行 控制并进行部分数据处理工作，其可编程功能和灵活性使其能够满足系统具体功 能设计。模数转换器是数据采集系统的核心关键部件之一，它是数据处理的第一 步，将模拟信号进行数字化，它决定了系统的采样率、带宽等重要指标。d s p 是 整个系统的核心，拥有强大的数据处理能力，主要任务是对采集数据进行处理和 显示等功能，并对系统进行控制【5 j 。系统总体设计方案如图2 1 所示。 - p o w t r - s i n g 矗i- - c o t m o lc d 啦匕ja d 出m 图2 1 手持式示波器硬件总体设计框图 在手持式示波器模式下，关闭数字万用表功能。两路信号通过信号输入端口 进入模拟通道，经过模拟通道调理之后的信号被送到a d c 进行数字转换，变成数 字信号，然后送入f p g a 中，在f p g a 的内部f i f o 中进行缓存和预处理。d s p 在需要的时候读取f p g a 中的f i f o 数据，存放到s d r a m 中的原始数据缓冲区中， d s p 根据用户选择的测量状态对这些数据进行处理并存储在显示缓冲区，d s p 采 第二章手持式数字示波器系统设计概述 用d m a 方式，通过p p i 接口将显示缓冲区的数据送l c d 显示。 人机交互通过键盘实现。键盘采用单片机独立扫描控制和数据处理，获得键 码，通过串口和d s p 通信。d s p 内部通过u a r t 中断获取键码，并作出响应。 数字万用表模式下，关闭示波器功能，以降低功耗。数字万用表采用模块化 设计，和系统的通信通过接口实现。测量信号经过两个表笔进入万用表前端衰减 网络，经过衰减的信号进入万用表专用芯片e s 5 1 9 8 6 处理，测量结果通过r s 2 3 2 口送f p g a ，在f p g a 内部进行串行数据并行转换，并存放在f i f o 中，处理完一 组数据需要设置f i f o 满信号标志。d s p 根据f i f o 满信号标志读取万用表测量数 据，进行数据分析、处理和显示。 此外，本设计中对系统存储器进行了扩展，加入了s d r a m ，用于存储临时数 据和中间结果。设计中还加入了f l a s h 和铁电存储器f r a m 非易失性存储器，其 中，f l a s h 用于存储b o o t l o a d e r 代码、d s p 程序代码、字库、启动界面、出厂设置 等，系统启动后需要从f l a s h 中读取到d s p 进行处理。铁电存储器存储用户设置 的菜单状态等需要快速保存的数据。 手持式示波器还拥有多种通信方式。可以通过u s b 对u 盘等支持u s b 协议 的存储器进行通信，进行数据存储和访问。 2 2 系统软件总体设计 d s p 作为手持式示波器系统的c p u ，主要完成数据装载，系统控制、数据处 理和显示功能，其软件模块框图见图2 2 。 系统启动后，需要进行一系列初始化操作，这些初始化原则上无严格的顺序， 但是在时间设计中为了性能优化，对初始化进行了排序。本设计中，先初始化 s d r a m 和内核定时器，使系统以最优的速度搬移代码和运行程序。然后初始化 d s p 的各个寄存器，d m a ，p p i 等。d s p 初始化完成之后需要读取用户设置状态， 显示开机画面。系统还需要对采集系统硬件进行必要的初始化，装载参数设置数 据，使前端数据采集系统处于适当的工作状态。最后，装载字库，并进入人机交 互循环状态【6 】。其软件总体流程见图2 3 。 在人机交互循环中需要完成用户按键响应、数据采集、处理和显示，这些处 理不仅包括示波器模式下的处理，还包括数字万用表模式下的处理。键盘扫描获 得用户按键产生的键码并通过串行口送d s p ，d s p 在u a r t 中断中读取此键码， 根据键码获得按键信息和步进信息，并调用相关响应程序模块。数字示波器模式 9 电子科技大学硕士学位论文 下的数据采集、处理和显示主要是参数测量、数学运算、波形显示等，数字万用 表模式下的处理主要是对万用表模块进行功能控制，对测量结果进行处理和显示。 循环体中还需要查询u s b 设备状态，并对u s b 进行读写访问，实时检测电池电压 状态，显示电量，此外，为了能让示波器5 分钟内没任何按键动作自动关机，还 需要进行计时。 系统初始化模块 j b o o t l o a d e r 模块 j 数据装载模块 j 键盘中断l 一按键处理模块 上 电源管理模块 上 消息处理模块 ，上上上+1 l 系统控制模块 硬件控制模块参数测量模块信号分析模块数据存储模块d 埘模块i + 1r 状态显示模块 j 波形显示模块 图2 2 系统软件模块图 图2 3 系统软件总体流程图 l o 第二章手持式数字示波器系统设计概述 2 3 软件开发平台概述 手持式数字示波器以a d i 公司的b f 5 3 1 处理器作为系统c p u ，控制整个系统 的工作。其配套的v i s u a ld s p + + 5 0 集成开发环境是b l a c k f i n 系列处理器的软件开 发平台，本系统软件设计也主要是在这个开发平台上实现的。 2 3 1b l a e k f i n 5 3 1 处理器介绍概述【7 l 【8 1 b l a c k f i n 系列处理器是a d i 公司近年推出的基于微信号体系结构( m s a ) 的 d s p ，它们具有3 2 b i tr i s c 指令集，有两个1 6 b i t 的( 双乘法累加器) m a c ，它集成 了大量外围设备和存储器接口。本系统选用的d s p 是b f 5 3 l ，它是b l a c k f i n 系列 处理器中的新成员，相对以前的b l a c k f i n 系列处理器，它提供了更高的性能和更 低的功耗，满足了嵌入式音视频和通信应用的计算机要求和功耗约束条件。 作为一种良好的信号处理器，b f 5 3 1 不仅适合完成音视频和数据通信的数字 信号处理，同时还能提供综合的控制能力。它有以下主要优点： ( 1 ) 高性能处理器内核 b l a e k f i n 系列处理器架构基于一个1 0 级i u s cm c u d s p 流水线和一个专为实 现最佳代码密度设计的混合1 6 3 2 位指令集架构。该架构符合s i m d 标准，适合全 信号分析处理能力，同时还可以提供高效的控制任务能力。 ( 2 ) 动态电源管理 动态电源管理可以通过改变电压和工作频率，提供比其他d s p 更少的功耗。 b l a c k f i n 系列处理器通过选通时钟内核设计，可按照指令选择性地切断功能单元的 电源。另外，b l a c k f i n 系列处理器自含动态电源管理电路，通过该电路可以对工作 频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法的性能要求，同时也极大的降 低了设计功耗。 ( 3 ) 高带宽的d m a 能力 所有b l a c k f i n 系列处理器都具有多个独立的d m a 控制器，它们支持自动数据 传输，所需的处理器内核开销很小。d m a 传输可以在内部存储器和支持d m a 功 能的外设之间进行，也可以在外设与外部存储器之间进行，极大的提高了系统的 效率。 ( 4 ) 分层的内部存储器结构【9 】【l o 】 b l a c k f m 系列处理器把存储器视为一个统一的4 g b y t e s 的地址空间，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v o 控制寄存器，都占据 电子科技大学硕士学位论文 公共地址空间的各自独立的部分。b l a c k f i n 5 3 1 存储地址分配如图2 4 所示。 内核m m r 寄存器( 2 m 字节) 系统m m r 寄存器( 2 m 字节1 保留 中间结果寄存器s r a m ( 4 k 字节) 保留 指令s r a m c a c h e ( 1 6 k 字节1 保留 u r 指令s r a m ( i6 k 字节) 保留 保留 保留 保留 数据b a n ks r a m c a c h e ( 1 6 字节) 保留 保留 异步存储器b a n k 3 ( 1m 字节) 异步存储器b a n k 2 ( i m 字节1 异步存储器b a n k l ( i m 字节) 异步存储器b a n k 0 ( 1 m 字节) 保留 r s d r a m 存储器( 16 m 至12 8 m 字节)il 高 璺 杂 整 黎 埋 性 箍 农 爿 司 杂 盛 椎 埋 性 髓 l 由、 图2 - 4b f 5 3 1 内外部存储器图 此地址空间的各部分存储器按分级结构排列，以提供高的性能价格比。一些 非常快速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或s r a m ) 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。 b l a c k f i n 系列处理器提供了l 1 和l 2 存储器模块。其中，l 1 存储器由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 可以配置为一个4 路联合的c a c h e ，它直接和处 理器内核相连，以全系统时钟运行，并为实时算法程序提供了最大的系统性能。 l 2 存储器是一种容量较大的存储模块，性能略有下降，但依然高于片外存储器。 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 ) 。b f 5 3 1 的 系统外设包括一个并行外设接n ( p p i ) ，一个串行端口( s e t ) ，串行外设接1 2 1 ，四个 通用定时器( 三个有p w m 功能) ，一个u a r t 口，一个实时时钟，一个看门狗定时 器，一个1 6 位通用i o 口( 可编程口) 。除了通用i o 口，实时时钟和定时器，其他 所有外设都有一个灵活的d m a 结构。 b f 5 3 1 处理器包括一个1 k b y t e 的引导内核，它位于存储区的最低地址段， 用于配置的适当的外设来引导。如果b f 5 3 1 处理器被配置为从引导r o m 存储器 引导，那么d s p 从片内引导r o m 开始执行。关于引导加载详细内容请查看第六 章b f 5 3 1 的b o o t 流程。 1 2 阡即即踟削m加舢们啪帅啪m如加m一岍一岍岍岍岍一岍一一啪岍岍一蚴蚴蚴蚴蚴蝴蝴 第二章手持式数字示波器系统设计概述 2 3 2v i s u a ld s p + + 5 0 软件开发环境介绍 v i s u a ld s p + + 集成开发与调试环境为d s p 应用开发过程中的程序编辑、编译、 调试提供了完整的图形控制。 利用v i s u a ld s p + + 项目管理环境，程序员可以开发和调试应用程序。这个环 境包括基于代数语法的易于使用的汇编器，一个归档器，一个链接器，一个加载 器，一个精确到时钟周期、指令级的模拟器，一个c c + + 编译器和一个包括d s p 和数学函数的c c + + 代码的运行库。编译器能有效地将c c + + 代码转换为b l a c k f t n 处理器的汇编代码。b l a c k f i n 处理器体系结构的特点也提高了c c + + 代码的编译效 率。 v i s u a ld s p + + 同时支持汇编语言和c c + + ，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 + + 基本脱离硬件，可读 性和可移植性强，开发效率高。程序开发中将汇编语言和c c + + 结合起来，发挥 两种编程方法的优势，写出可移植性强，执行效率高的d s p 应用程序。 用v i s u a ld s p + + 调试器调试c c + + 和汇编程序时，程序员能够： 1 查看混合的c c + + 和汇编代码( 混合源代码和目标信息) 2 插入断点 3 根据寄存器、存储器和堆栈设置条件断点 4 跟踪指令执行 5 对执行的程序进行线性或统计性能分析 6 对存储器进行f i l l 、d u m p 和绘图操作 7 执行源程序级调试 8 创建用户调试窗口 此外，v i s u a ld s p + + 可以使用专家链接器( e x p e r tl i n k 神对嵌入式系统中代码 和数据位置的安排进行可视化的操作，查看存储器时使用了一种彩色的代码图形 格式，可以通过鼠标的拖拽方便的将数据和代码移动到处理器或外部存储区。并 可以检查实时堆栈和堆的使用情况。专家链接器与现存的链接文件( l d f ) 完全兼 容，这样使开发者可以在文档形式和图形格式之间任意切换【l 。 v i s u a ld s p + + 为程序设计人员提供了强有力的交叉编程工具，它具有很高的灵 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。 d s p 程序开发有三个阶段： 1 s i m u l a t i o n ：利用v i s u a ld s p + + 提供的软件环境进行软模拟，不需要硬件 电子科技大学硕士学位论文 2 e v a l u a t i o n ：利用e z k i t 板对程序进行测试和评估 3 e m u l a t i o n ：利用j t a g 对用户的目标系统进行仿真测试 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。 调试器 源文件 编译器和汇 工程文件 爹 可执行文件( 电路仿真， l ( c 和a s m )( d 0 2 ) 链接 ( d x e ) 模拟仿真，评 估板仿真) 卜 装载镜像文件 装载器 ( l d r ) 链接器描述t y 文件( l d f ) i 装载代码 ( d x e ) 图2 5 软件开发流程 用户目标系统的硬件设备准备完成后，用户可以通过j a t g 仿真器将p c 与用 户的处理器目标板进行连接，v i s u a ld s p + + 通过仿真器将用户的程序加载到处理器 内部，让程序在用户目标系统的处理器上运行。用户可以通过仿真器进行调试， 此时p c 和仿真器只是起到控制和监视作用。仿真完成之后，用户需要将程序生成 加载文件，并提供给用户的目标系统，目标系统按照用户设定的加载方式对处理 器进行加载，这样，处理器就能够按照用户的设计运行程序了。 2 4 本章小结 本章简要介绍了手持式数字示波器系统硬件总体设计，给出了总体设计框图， 并分模块介绍了各个部分的设计思路。讲述了系统软件设计步骤，给出了软件总 体设计流程。介绍了手持式示波器系统中使用的b l a c k f i n 5 3 1d s p 硬件结构和性能 特性，重点介绍了b l a c k f i n 5 3 1 内核结构和系统存储空间分配，最后对示波器软件 开发环境v i s u a ld s p + + 5 0 进行了介绍。 手持式示波器采用模块化设计思想，数字万用表采用接口和主板通信，通信 接口通过隔离器件与主板隔离。主板提供电源和控制信号，数字万用表的测量结 果通过r s 2 3 2 送给f p g a ，在f p g a 内部进串行并行转换后送d s p 处理并显示。 键盘通过单片机独立控制，单片机扫描获得键码，通过串口传送给d s