（电路与系统专业论文）基于TMS320VC5416的20M虚拟示波器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

磺士学住论文 m a s t e r s 下h e s i s 摘要 虚拟示波器是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的一种新型智能测试仪 器，它不但能实现一般模拟或数字示波器的全部功能，而且能充分利用现有的计算 机资源，实现如数据存储、数据分析等在普通示波器上很难实现的特殊功能。对于 虚拟示波器的理论研究与样机的开发，可以在很大程度上弥补传统示波器的不足。 本论文采用p c - d a q 方式，设计了一台采样率为m 的虚拟示波器实验样概， 它采用1 1 公司高速模数转换器( a d c ) t l c 5 5 4 0 实现模数信号的转换，同时用n 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 实现逻辑控制与数据存储，用串翻器件t l l 6 c 7 5 2 实现d s p 与计算机的数据传送，用图形式编程g 语言l a b v i e w 作为软件开发平台。 该虚拟示波器具有如下优点：硬件成本相对较低，用户可自定义其功能；通过升级 p c 软件和d s p 软件便胃完成示波器功能的舞级与扩充；具有良好的可靠性、移植 性和维护性。 关键词：虚拟示波器；d s p ；l a b v i e w ；u a r t a b s t r a c t t h ev i r t u a lo s c i l l o s c o p ei san e w l ye m e r g e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i na d d i t i o nt oa l lt h e c o m m o nf u n c t i o n so fat r a d i t i o n a lo s c i l l o s c o p e ，i tm a k e sf u l lu s eo fc o m p u t e r sr e s o u r c e s a n dm a k e ss u c hf u n c t i o n sa sd a t as t o r a g ea n da n a l y s e sp o s s i b l e ，w h i c hw e r ev e r y d i f f i c u l tt or e a l i z eo nat r a d i t i o n a lo n e 。t h e r e f o r ei ti so fm u c hp r a c t i c a li m p o r t a n c et o c a r r yo u tt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nv i a u a lo s c i l l o s c o p e s t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p e dav i r t u a lo s c i l l o s c o p ei nw a yo fp c - d a qm e t h o d ，i n w h i c ht l c 5 5 4 0f r o mt e x a si n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o nw a su s e df o ra n a l o g yt od i g i t a l c o n v e r s i o n ，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6w a su s e df o rl o g i cc o n t r o la n dd a t as t o r i n g , u a r t i n t e r f a c ed e v i c et l l 6 c 7 5 2w a su s e df o rd a t at r a n s f e rf r o md a t aa c q u i s i t i o nb o a r dt op c , a n dl a b v i e ww a su t i l i z e da ss o f t w a r ep l a t f o r m t h ev i r t u a lo s c i l l o s c o p eo f f e r e ds u c h a d v a n t a g e sa sr e l a t i v e l yl o wc o s t ，f u n c t i o nr e d e f i n i t i o n a b l eb yt h eu s e r , u p d a t i n ga n d e x p e n d i n gb yp cs o f t w a r ea n dd s ps o f t w a r e ，g o o dr e l i a b i l i t y , t r a n s p l a n t a t i o na n de a s y m a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：v i r t u a lo s c i l l o s c o p e ；d s p ；l a b v i e w ；u a r t 娃 礓士学位论文 m a s t e r s 下h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：璇金容 露期：劾彤年6 月z 日 学往论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保蜜、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印侔和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本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、缩窜或扫箍等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：毅金寝 日期：劢扫占年g 月乙日 导师签名蔗 日期：卿绰月v 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。圄霆途塞握銮复溢厦i 旦堂生；蜀生釜；旦三釜筮查。 作者签名：徼金爱 日期：劲u 6 年6 月乙日 导师签名：爪峭 日期：a - - r 年月乙日 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 虚拟仪器 第一章绪论 1 1 1 什么是虚拟仪器 虚拟仪器【1 】( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的。虚拟仪器是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的 测控系统；是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。 1 1 2 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点【2 】： 1 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方 面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量 硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 2 利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质 资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数 据进行各种分析与处理：通过图形用户界面( g u i ) 技术，真正做到界面友好、人机 交互。 3 基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、集成系列化， 大大缩小系统尺寸，可方便地构建单卡集成仪器( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 4 基于计算机网络技术和接口技术，v i 系统具有方便、灵活的互联 ( c o n n e c t i v i t y ) ，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业总线标准。 因此，利用v i 技术可方便地构建自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ， 实现测量、控制过程的网络化。 5 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模 块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家 的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。 1 1 3 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 1 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、工作站、嵌入式计算机等。计算机是虚拟仪器的硬件基础，管理虚拟仪器的硬 软件资源。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发 展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 2 按照测控功能硬件的不同，v i 可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系 结构。 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器 间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准- - i e e e4 8 8 1 和i e e e4 8 8 2 。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪 器。每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、 减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内 部设计。在价格上，g p i b 仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ，不适合于对系统速度要求较高的应用。( 标准接 口总线在2 0 m 距离内，若每2 m 等效的标准负载相当于使用4 8 m a 的集电极开路式发 送器，则最高工作速率是2 5 0 k b s ，若采用三态门发送器，一般速率为5 0 0 k b s ， 最高可达1 0 0 0 k b s 。) ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 即v m e 总线在仪器领域的 扩展，是1 9 8 7 年在v m e 总线、e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e e4 8 8 等的基础 上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、“0 槽 控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、 系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。目前， 国际上有两个v x i 总线组织。 v x i 联盟，负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范， 包括机箱背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械 特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容：v x i 总线即插即用( v x i p l u g & p l a y ，简称v p p ) 系统联盟，宗旨是通过制订一系列v x i 的软件( 系统级) 标准 来提供一个开放性的系统结构，真正实现v x i 总线产品的“即插即用 。这两套标 准组成了v x i 标准体系，实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的互 换性和互操作性。v x i 的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 和要求形成的。p x i 增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的 星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用 户的要求。p x i 兼容c o m p a c t p c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、 湿度、振动和冲击试验) 等要求。这样，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易 集成性。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c o u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、 p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测 试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器 ( c 0 m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型 和“一机多用 。在性能上， 随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展， d a q 的采样速率已达到1 g b s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合 数字i o ，模拟i o 、计数器定时器等通道。仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块 可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意 波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以 构成一台具有若干功能的p c 仪器。 1 1 4 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬 件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与 灵活性。基于软件在v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪器( t h es o f t w a r e i st h ei n s t r u m e n t ) 的口号。v p p 系统联盟提出了系统框架、驱动程序、v i s a 、 软面板、部件知识库等一系列v p p 软件标准，推动了软件标准化的进程。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软 件。v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件体系 结构，实质就是标准的i o 函数库及其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为 v i s a 库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间 的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可 调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序 集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序， 仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对 操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完 成自动测试任务。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 1 用通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a l c + + 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u ii d e r ； 2 用专业图形化编程软件进行开发。如h p 公司的v e e 、n i 公司的l a b v i e w 和 l a bw i n d o w s c v l 等。 应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理 的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、f f t 、f h t 、逆f f t 、逆f h t 和细化分 析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和 排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供 了基础。 1 2 示波器发展概述 示波器自1 9 3 3 年诞生至今已经有7 0 多年的历史【3 1 。目前示波器已经由通用示 波器发展到取样示波器、记忆示波器、数字存储示波器、逻辑示波器、智能化示波 器等近十大系列，几百个品种，下面就几个主要门类的示波器做一个简单介绍。 1 2 1 通用示波器 它是最早发展起来的示波器，应用也最广泛，能够定性定量地观测信号和分析 信号，凡涉及到电子技术的地方均离不开它。它又可以分为中低档示波器和高档示 波器。 1 中低档示波器 一般指带宽为i o o m h z 以下，最高输入灵敏度为2 m v d i v - - - l o m v d i v 之间的示 波器。这种示波器需求量较大，大概占示波器总销售量的5 0 以上，目前该类示波 器的集成度已达到8 0 以上。 2 高档示波器 一般带宽为1 0 0 m h z 以上的示波器称为高档示波器，也叫宽带示波器，一般多 数公司把带宽仅做到3 0 0 m h z 左右，而美国t e k 公司早在1 9 7 1 年就试制出带宽为 5 0 0 m h z 示波器( r m k 7 9 0 4 ) ，1 9 7 1 年又试制出1 0 0 0 m h z 带宽的示波器( ，亿k 7 1 0 4 ) ， 它采用一种被称作“微通道板”的示波管，采用了砷化镓、磷化钾为材料特征频率 f r 达到1 0 g h z 的线性集成电路【4 】。这种带有微通道板的示波器克服了一般示波器在 慢扫的情况下，由于磷化物材料的短余辉特性会引起图形发生闪烁，而快捷的单次 信号将过快闪过屏幕而难于对波形进行分析的缺点。但是由于其价格太高，技术复 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 杂，市场不是很大。 由于通用示波器( 模拟示波器) ，只能用于观察和分析重复的周期信号，对于慢 速，单次或偶尔重复的高速信号是难以分析。如果用照相的方法，摄取单次信号， 使用起来也很不方便，所以又研制了存贮示波器。存贮示波器又可以分为记忆示波 器和数字存储示波器。 1 2 2 记忆示波器 它是一种借助记忆示波管以及相应的电路将被测信号记忆下来( 关机后可记忆 相当一段时间) 的示波器，主要用于观测瞬变单次信号。 1 9 5 7 年美国休斯公司研制出记忆示波器。但由于记忆示波管价格昂贵，使用寿 命短，存储记忆速度慢，等效带宽窄等缺点，所以发展缓慢。7 0 年代后，记忆示波 管在制造技术上有了新的突破，存储方式不断增多，有双稳存储方式，可变余辉存 储方式和快速转移存储方式，存储带宽达2 5 0 m h z ，寿命已基本接近普通示波管水平， 价格也显著下降。在性能类似的情况下，记忆示波管的价格大约比通用示波管贵1 3 左右。 记忆示波器虽然适用于观测缓慢信号，单次信号或偶尔重复出现的高速信号， 但由于它的屏幕显示面积小，存储波形显示对比度差，信号分辨力低，存储显示的 时间不长，而且和其他模拟示波器一样不便对仪器进行程序控制，数字信息分析和 数字运算处理，因而在各种不同的应用中，仍然存在着许多局限性，例如：如何自 动地选取示波器显示的波形，以便更详细地分析波形的细节，或者在屏幕上同时显 示不同时间发生的几个波形，以及波形的比较，还有如何把一个已经存储下来的单 项波形中我们最感兴趣的部分加以扩展，以便对其进行更细致的分析，这些问题使 用传统的模拟示波器或记忆示波器都无法解决，只有求助于数字存储示波器。 1 2 3 数字存储示波器 数字存储示波器是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种新型示波器。这种类型的 示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内处理器系统对 存储的信号做进一步的处理，例如对被测的频率、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。 数字存储示波器是用a d 变换器把模拟信号转换成数字信号，然后存在半导体 存储器r a m 中，需要时将r a m 中存储内容调出，通过相应的d a 变换器，再恢复成 5 硕士学经论文 m a s t e r st h e s i s 模拟量显示在示波管屏幕上l 熨。在这种示波器中信号处理功能和信号显示功能是分 开的。它的性能完全取决于进行信号处理的a d 、d a 变换器和半导体存储的性能。 在数字存储示波器中，把输入的被测模拟信号先送至a d 变换器进行取样、量 化和编码，成为数字“l 夥、“o 码，存储到r a m 中，这个过程称为存储器的“写 过程，然后再将这些“o 、“l ”码从r a m 中依次取出，顺序排列起来，经d a 转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程 ，在数字存储示波器中，采用 实时取样方式，既可观测单次信号，也可以观察到重复信号；采用顺序取样或随机 取样方式的只能观测到重复信号。 1 2 4 取样示波器 采用取样技术，将高频的重复性的周期信号经过非实时取样变换成低频的重复 的周期信号，蒋运用通用示波器的原理进行显示和观测。这种示波器问世之后发展 很快，早在1 9 6 9 年美阂聍公司就试制出1 8 1 1 a 型取样示波器，频带宽达1 8 g h z ， 但后来进展缓慢，主要原因，一是在使用上有局限性，只能观测重复性周期信号， 二是所显示的波形经采样后容易失真，操作不方便，所以虽然p h i l i p s 公司是取样 示波器的鼻祖，却早在7 0 年代最先退出市场。而美国h p 公司也于1 9 8 0 年停止了 取样示波器的生产。近几年数字取样示波器已有很大发展，t e k 公司已经有2 0 g h z 的数字取样示波器，两美匿汗公司已经生产出了达5 0 g h z 的数字取样示波器l 翻。但 是这种示波器采用的是非实时取样技术，所以只能观测周期重复信号，对瞬时单次 信号无法观察。 1 2 5 虚拟示波器 群虚拟仪器这一新概念测量仪器的诞生，搜示波器突破了传统，在功能和作 用等多方面发生了根本性变化。虚拟仪器将计算机和测量系统融合于一体，用计算 机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面 板。虚拟示波器是虚拟仪器的一种，它不仅可以实现传统示波器的功能，具有存储、 再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少。虚拟示波器使用功能强大的 微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、 逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式( 如数据、 图形、图表等) 表示测量结果，完成各种规模的测量任务1 7 l 。 6 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3d s p 的发展 d s p t 8 l 包括数字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 和数字信号处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。数字信号处理技术是指将模拟信号通过采样进行 数字化后的信号进行分析、处理，它侧重于理论、算法及软件实现。要实现这些算 法，特别是要实时地实现某些算法就需要特殊的硬件支持，这就是数字信号处理器， 它是数字信号处理技术实现的载体。本文中所涉及的d s p 是指数字信号处理器。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m d 公司发布的s 2 8 11 ，而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，日木n e c 公司 推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有并行乘法器的商用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 s ai n s t r m 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 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，相继推出了第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 ， t m s 3 2 0 c 2 5 ：c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 4 0 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c s x 5 4 x ，第一代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 将常用的d s p 芯片归纳为 三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包 括t m s 3 2 0 c s x c 5 4 x c s s x ) ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今， - r i 公司的一系列d s p 产品已经成为世界上最有影响的d s p 芯片。1 r 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近5 0 。 选用c p u 虽然功能强大，但结构复杂，价格高，价格可以为d s p 的1 0 倍之多， 因此可以预测d s p 应用将会越来越广泛。 1 4 本文的主要内容和章节 虚拟仪器的发展已经具有2 0 多年的历史，虚拟示波器作为虚拟仪器中的一种 典型仪器，是仪器仪表、无线电通信、雷达系统等领域不可缺少的一部分。本论文 设计了一台基于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的虚拟示波器，论文具体内容安排如下： 第一章，绪论：首先对虚拟仪器的发展现状、虚拟仪器的基本概念、虚拟仪器 的优点和虚拟仪器的软硬件系统构成进行了描述，然后介绍了示波器的发展概况， 最后简要介绍了d s p 的发展。 7 矮士学位论文 氧d a s t e r s 彳h e s i s 第二章，纛拟示波器的硬件设计：纛拟示波器的硬件部分实际上是一个高速数 据采集系统，本章确定了以d s p 为控制和处理核心的硬件设计方案，并对此方案每 个模块原理与实现作了详细介绍。 第三章，d s p 软件设计：对整个硬件涉及到的d s p 软件都作了详细的介绍。 第四章，p c 软件编程：虚拟示波器的软件系统包括串口初始化、串翻接收和 波形显示三部分，对每个部分的实现作了描述。 第五章，系统实验调试：本章采用所研制的虚拟仪器系统对实际波形进行了观 察，得出实验结果。 第六章，结论与展望：对全文研究结果进行了总结，并提出了下一步改进研究 的方向和目标。 8 2 1 总体设计 第二章虚拟示波器的硬件设计 虚拟示波器的硬件部分实际主是一个高速数据采集系统，即计算机与数据采集 卡( p c d a q ) 方式，对外部模拟信号进行采集，转化为数字信号，然后传给计算机。 一个数据采集系统主要包括逻辑控制器、模数转换器( a d q 、存储器、数据传输通 道等单元，这里我们只设计了一个通道，我们设计的虚拟示波器方框原理示意图如 图2 1 。 图2 1 虚拟示波器方框原理示意图 。 在图2 1 中，待测模拟信号首先由前端信号处理单元滤波放大后送给高速a d 转换器t l c 5 5 4 0 ，d s p 控制t l c 5 5 4 0 进行数据采集，累计采集1 0 2 4 个数据后，荐 通过串口t l l 6 c 7 5 2 传给p c 进行处理显示。传统示波器的触发电平、触发沿、水 平和垂直幅度调节以及波形存储等功能皆在p c 端由软件解决。另终在图2 。1 中还 有一些辅助单元，其中片外f l a s h3 9 v f 4 0 0 用来保存程序，以便断电后d s p 能进 行自举加载。 在高速数据采集系统中，通常采用单片机、数字信号处理器( d s p ) 或者复杂可 编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 、现场可编程门阵列 ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a l t ea r r a y ，f p g a ) 来控露l 模数转换器、存储器和其他外围 电路的工作，但由于d s p 处理速度快，c p u 的工作速度可以达到l n s ，内存较大， 而且擅长处理密集的乘加运算，能够把采集进来的数据进行分析处理，因两本系统 9 磺士学位论文 m a s t e r st h e s i s 选用d s p 处理器。下面对各个模块单元进行更详细介绍。 2 2d s p 处理器 2 2 1d s p 芯片的结构特点 d s p 的独特性能源于它独特的结构，通过对它的结构的剖析可以进一步把握它 的性能。d s p 的基本结构【9 】包括： 1 。哈佛结构 哈佛结构是不同予传统的冯诺依曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序 和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存 储器，每个存储器独立编址、独立访闯。与两个存储器相对应的是系统中设置了程 序总线和数据总线，从而使数据的吞吐量提高了一倍。 2 流水线操作 流水线与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线方式，以减少指令执行时间， 从而增强了处理器的处理能力。在六级流水线操作中，预取指、取指、译码、寻址、 读操作数和执行操作可以独立地进行，这可使指令执行能完全重叠。 3 多总线结构 许多d s p 内部都采用了多总线结构，这样保证在一个机器周期内，可以同时访 问数据和程序存储空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有ec ，d ，e4 条总线( 每条总线又 包括地址和数据总线) ，可以在一个枫器周期内从程序存储器取1 条指令、从数据存 储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个操作数，大大提高了d s p 的运行速度。因 此，对于d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就 越复杂。 4 。专用的硬件乘法器 乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是 由一系列加法来实现的，故需要多个指令周期来完成。d s p 芯片的特征就是有一个 专用的硬件乘法器，可以在一两个时钟内完成一次乘法或加法运算，可使处理器速 度以数量级增长。 5 。特殊的d s p 指令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 指令系统中，设计了一些特 殊的d s p 指令，以完成一些专门的运算。这些指令有专门的硬件傲支撑，在别的计 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 算机系统里需要一大段程序才巍完成的任务，在d s p 里只需一条撬令就完成了。 6 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令，再加上集成电 路的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在1 0 n s 以下。快速的指令周期使得d s p 芯片能够实时实现许多数字信号处理应用。 2 2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 内部结构1 1 0 s 3 2 帆，c 5 碡羔6 内部结构如下图2 2 【l l l ： 一c p u t l 2 1 图2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 内部结构图 1 先进的多总线结构( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) ； t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的总线结构主要是围绕k 组1 6 - b i t 总线( 豳组程序数据总线，四组 地址总线1 建立的： ( 1 ) 程序总线p b ) 传送放程序存储器来的指令和- 寺_ e p 数； ( 2 ) 三组数据总线( c b ，d b 和e b ) 连接各种元器件。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； l l 硕士学经论文 m a s t r s 下h e s i s ) 四组地址总线 茂b ，c a b ，d a b 和e a b ) 传送执行指令所需要的地址。 2 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位桶形移位寄存器和2 个独立 的位累加器； 3 1 7 1 7 位并行乘法器和一个4 0 位专用的加法器，用于非流水线的单周期乘 法累力n ( m a c ) 操作； 4 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用予维特比算子的加法比较选择； 5 指数编码器e ，用来在一个单周期内计算一个4 0 位累加器中数值的指数； 6 。双地址生成器，包括8 个辕动寄存器和2 个辅助寄存器算术运算单元。 二存储器 存储器由三个独立的可选择空间组成：程穿、数据和薹内空间。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片内提供了1 6 kx1 6 b i tr o m 和6 4 kx1 6 b i td a r a m 和6 4 kx1 6 b i ts a r a m 。片外 可以寻址8 m x1 6 b i t 的程序空间、6 4 kx1 6 b i t 的数据空间和6 4 kx1 6b i t 的i 加 空间。标准的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片内r o m 中有一个引导程序，上电时，这个引导程序 能自动地把用户代码从外部调入到程序存储区的任何一个地方。通过设置o v l y 位 可以把t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的片内d a r a m 分配给数据存储区或程序存储区。图2 3 显示 的是o v l y ，d r o m 和m p m c 如何影响t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 程序区和数据区： p a g e0p r o g r a m r e s e r v e d o v l y = 1 e x t e r n a l ( o v l y = o o n - c h i p i a 湖垂1 3 ( o v l y = e x t e m a l f o v l y t o e x t e r n a l i n t e r r u p t s ( e x t e r n a l ) m p 衙芒蕾1 ( m i c r o p r o c e s s o rm o d e ) h e x 0 0 0 0 p a g e0p r o g r a m r e s e r v e d l o v l y = e x t e m a l ( o v l y ；o l o n c h i p d a r a 黻嵇o ( o v l y s l e x t e r n a l l m i c r o c o m p u t e rm o d e ) 1 2 盘纛 涨 渐舢孵洲阱鳓孵鳓阱 陬帅 眦吣 黼瓣 孵 融 孵 磺士学位论文 酝a s t r s 下h e s i s h e x e 套臻 秘7 1 ：f f 8 啪 0 1 f f f f o n c h i p d a r a m o 一3 l o v l y = i e x t e r n a l ( o v l y 哟 o n - c h i p 0 a r a m 4 7 ( m p m c 曲) e x t e r n a i k 隧p y m c = i ) h e x 靛髑喀0 8 芏? f f i ： 0 2 8 o 铂弱酗 0 a r a m m 3 ( o v l y ；1 ，c t e m 出 l o v l y = o o n - c h l p s a r a m o 一3 i m p m c = 0 l e x t e r n a l m p m c - 1 p a g e l p a g e 2 x p c - 1 x p c = 2 h e x 莽0 0 7 f i f f f 7 l - 8 0 o n c h i p d a r a m o _ _ 3 l o v l y - 1 l e ，t e r n a l ( o 驰y - o ) x 蟾n i 。l p a g e l 2 7 x p c = f f h 图2 3 程序和数据存储器映射图 三指令系统 单指令周期6 2 5 n s i 单指令重复和块指令重复操作；块存储器传送指令；3 2 位 长操作数指令；同时读入2 或3 个操作数指令；能并行存储和并行加载的算术指令； 条件存储指令；获中断快速返回指令。 四片内外设 1 软件可编程等待状态发生器，能把外部总线周期扩展裂量4 个机器周期，以 适应较慢的片外存储器和i o 设备； 2 可编程的存储器转换逻辑电路，在访问越过存储器块边界，或从程序存储器 跨越到数据存储器时，能自动插入一个周期。这个额外的周期允许存储器器件在其 他器件开始驱动总线之前释放总线，以此来防止总线竞争； 3 j 带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁楣环( p 呦时钟发生器 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的工作时钟是由x 2 c l k i n 管脚上的输入时钟乘以一个比例系数得到 的，这个比例系数的产生与t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片内p l l 的工佟方式有关； 4 6 通道d m a 控制器，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的d m a 控制器同时可控制6 个独立的数 据块传送，d m a 的优先级高于c p u 控制核； 5 三个多通道缓冲串行日( 淝b s 力，可以壹接和c o d e s 等设备相连； 6 1 6 位可编程定时器，定时器可以产生定时中断，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 可以通过设 置特定的状态位来使定时器停止、恢复运行、复位或禁止； 7 8 位或1 6 位并行主机接口( h p i ) ，提供t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 与主处理机的接口， t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 和主处理机都可以访问t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的片内存储器，通过它进行信 息交换； 8 外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制总线；数据总 线具有总线保持器特性。 硕士学位论文 m a s 下e r s 彳h e s i s 五。在片仿真接口 具有符合i e e e11 4 9 1 标准的在片仿真接口，i e e e l1 4 9 1 标准扫描逻辑电路用 于仿真和测试，它提供对所连的设备的边界扫描。同时，它也能用来测试引脚到引 脚的连续性，以及完成t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的外围器件的操作测试。 2 3 高速模数转换模块 2 3 1 预处理模块 预处理模块如下图2 4 1 3 】： 毫l 图2 4 预处理模块 运放a d 8 0 0 1 在放大倍数为专2 时工作频率能达到4 0 0 m ，并且能驱动低阻抗负载， r p 为运放提供偏置电压，偏置电压范围从o - - 5 v ，当偏置电压为2 5 v 时运放驱动 将达到极限，图中r p 和c 9 组成一个低通滤波器，截止频率由r p 的阻值决定。r 3 1 和c ii 也组成一个低通滤波器，超过2 0 m 的频率信号被滤掉。在实际调试中，应该 保证a d 8 0 0 1 的输出在0 6 - - - 2 6 v 之间。图中的地均为模拟地。 2 3 2 柚转换模块 a d 转换器可分为：积分型、逐次逼近型、并行比较型串并行型、一调制 型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1 积分型( 如t l c 7 1 3 5 ) 积分型知工童搴原理是将输入电压转换减时闻( 脉冲宽度信号) 或频率( 脉冲频 率) ，然后由定时器计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺点是由予转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片勰转换 器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 1 4 顾士学位论史 赫a s t e r st h e s i s 2 逐次比较型( 如t l c 0 8 3 1 ) 逐次比较型a d 由一个比较器和d a 转换器通过逐次比较逻辑构成，从m s b 开始， 顺序地对每一位输入电压与内置d a 转换器输出进行比较，经n 次比较而输出数字 值。其电路