（无线电物理专业论文）基于linux的矢量网络分析仪人机接口设计.pdf

摘要 矢量网络分析仪是在微波技术 微电子技术和计算机技术基础上发展起来的 一种高性能测量仪器 但鉴于市场上现有矢量网络分析仪功能复杂 价格昂贵的 现状 我们着手于一种对低价位矢量网络分析仪的研究开发 本论文的主要内容 是研究矢量网络分析仪的人机接口设计 根据开发需求 我们采用了开源l i n u x 系统进行设计 摒弃了代价较高的商业w m c e 系统 在降低了系统支出成本的 同时 提高了系统的安全性 可维护性以及易于升级性 校准方面则采用四参数 误差模型来代替六项误差模型 简化了计算复杂度 减少了内存空间的开销 并 具有了实时性的特点 本论文的工作如下 1 进行l i n u x 系统的移植 搭建交叉编译环境工具链和界面的开发调试环境 2 根据已有的矢量网络分析仪网络参数误差模型 简化 计算以及编码实现四 参数误差模型 3 根据整个设计要求 完成a d 数据采集模块 i o 输出控制模块 数据处理和 存储模块以及人机交互模块 包括液晶显示和键盘模块 的设计 并完成了整个 显示界面及键盘界面的初步构造工作 4 编码完成各模块的功能和模块之间的互联 论文的最后是对本论文工作的总结及今后工作的展望 关键词 矢量网络分析仪 l i n u x 人机接口 a r m 9 q t a b s t r a c t v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e ri sah i 曲p e r f o r m a n c ei n s t r u m e n t w h i c hd e v e l o p so n m i c r o w a v e m i c r o e l e c t r i ca n dc o m p u t e rt e c h n i q u e s b u tn o wt h ee x i s t e dv n a sa r e c o m p l i c a t e da n dc o s t l y s ot od e s i g ns o m ey n a c o s t sl e s si so u rf i n a lg o a l t h ed e s i g n o fh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ef o rv n ai si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h e r e q u i r e m e n to fl e s sc o s t w ec h o o s el i n u xs y s t e mt h a ti so p e ns o u r c e i n s t e a do f c o m m e r c i a ls y s t e ms u c ha sw i n c e a sar e s u l t w er e d u c et h ec o s ta sw e l la s i m p r o v e m e n to fs e c u r i t y m a i n t e n a n c ea n ds c a l a b l e o nt h e o t h e rt m a a f o u r p a r a m e t e r se r r o rm o d e li sa d o p t e dt or e p l a c et h es i xp a r a m e t e r se r r o rm o d e l s ow e s i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n r e d u c et h ec o s to fm e m o r ys p a c ea n dh a v et h ef e a t u r eo f r e a l t i m e w h a tw eh a v ed o n ea r ea sf o f l o w 1 r e p l a n tl i n u xs y s t e mi n t ot h ed e v e l o p e dp l a t f o r m c r e a t et h et o o l sc h a i no f c r o s s e dc o m p i l e re n v i r o n m e n t t h e nb u i l dt h ed e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n ge n v i r o n m e n t 2 s i m p l i f y c o m p u t e ra n dp r o g r a mf o r t h ef o u rp a r a m e t e r se r r o rm o d e l b a s e do n v a l i d a t e dm o d e lo fn e t w o r kp a r a m e t e r s 3 c o m p l e t et h ed e s i g no f a dd a t ac a p t u r em o d u l e i 0o u t p u tc o n t r o lm o d u l e d a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r a g em o d u l e a n dh u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e i n c l u d i n gl c dd i s p l a ym o d u l ea n dk e y b o a r dm o d u l e a n db u i l d i n gt h ef r a m e o f d i s p l a yi n t e r f a c ea n dk e y b o a r di n t e r f a c e 4 t oi m p l e m e n tt h ep e r f o r m a n c eo fe a c hm o d u l ea n dc o n n e c te a c hm o d u l e a tt h ee n d t h es u m m a r yo ft h i sp a p e ra n dd i s c u s sw h a tw ec a l li m p r o v ei nt h e f u t u r ei sg i v e n k e yw o r d s y e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r l i n u x h u m a nc o m p u t e r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 据我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在 文中作了明确说明并表示谢意 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名 赏审吁 导师签名 多秋事乞 日期 型墨 鱼 三日期 p 鲁 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本论文研究的意义 矢量网络分析仪是一种复杂精密的高科技测量仪器 它的出现使得在很宽的 频带内进行扫频测量 并显示网络全部散射参数的幅度和相位值成为可能 并随 其进一步发展成为计算机控制 能够在一系列步进频点上测量网络参数并能自动 扣除误差和处理数据 大大提高了工作效率和测试质量 成为无线电技术必不可 少的测量设备 1 但是市场的矢量网络分析仪相应都价格不菲 一台v n a 至少 数十万人民币 同时这样精密的仪器对使用人员的素质都要求很高 而学校迫于 经费所限 很难让大多数同学都能用到这样的仪器 限制了人才的培养 因此研 究出一种低成本 易使用的矢量网络分析仪就很有必要 基于这样的认识我们开 始了低价位矢量网络分析仪的研发 本论文主要集中研究的是矢量网络分析仪人 机接口部分的设计 人机接口作为人机互动的关键部分 其方便易用性是很重要的 早期的矢量 网络分析仪按钮众多 操作复杂 其显示界面也很简陋 随着计算机软硬件技术 的发展 人机接口也越来越人性化 图形化界面开始进入人们的视野 大大提高 了可视性 增强了人机的互动能力 可是在查阅了很多相关资料后我们发现 不 管是国外的厂家 如安捷伦各系列的矢量网络分析仪 还是国内电子四十一所 都是采用内嵌微型计算机使用w i n d o w s 操作系统进行数据处理和图形化显示的 w i n d o w s 操作系统作为一种商业化的操作系统 它的使用权是必须购买的 而且 由于它的源代码并不对外开发 一些个性化的功能就必须向商家通过定制才能实 现 这又要支付额外的费用 再加上操作系统还要进行维护和升级 所以整个开 销还是很庞大的 这不符合我们的设计初衷 所以选择开源的l i n u x 系统称为一 种必然 l i n u x 是一种相对而言很成熟的操作系统 它也实现了图形化的操作界 面 同时世界各地有很多无私的程序员投入它的维护与更新中 所以其相关的开 发工具也比较完备和成熟 完全能满足我们的开发需求 但是大大降低了成本 2 3 前面我们也讲过 由于矢量网络分析仪的复杂性 大多时采用了微型计算机 进行所有的控制 存储和计算等处理 由于我们的设计并不是追求更高的精度 所以我们在保证精度的情况下对一些操作进行了简化 使用a r m 微处理器来代替 微型计算机 再一次降低成本 因为a r m 微处理器只是一块面积约为6 平方厘米 的芯片 使整个仪器更加趋于小型化 这也是比较有意义的 4 华东师范大学硕士学位论文 1 2 本论文研究的背景 1 2 1 矢量网路分析仪在测量中的地位 随着电子通信技术的飞速发展 无线电技术 微波技术和电磁场技术在人们 生活中占有越来越重要的地位 应用领域也日益广泛 为了更好的推动这些技术 的发展 更精密易行的测量手段也就成为必须 矢量网络分析仪是一种复杂而精 密的仪器 它正是应这种时势而出现 在自动网络测量技术 电子技术 计算机 技术的基础上发展起来的 并且随着这些学科的发展向着更宽的频带 更精细的 分辨率 更高的测量精度和自动化程度方向发展 借助矢量网络分析仪 可以从场的角度分析无线通信设备元器件的特性 在 射频微波频段 应当从电磁场的角度来分析元器件的特性 并用分布参数来描述 集总参数中的电压和电流被等效为分布参数的电场和磁场 元器件的特性不再用 电阻 电感 电容 而是用s 参数表达 低频测量的手段 如万用表 示波器 等在射频微波频段已经显得无能为力 只能依靠网络分析仪 频谱仪来测量元器 件的特性 尤其是矢量网络分析仪 它是一种能同时测量出矢量信号的幅度和相 位信息 还能将频域的信号反转到时域显示 并且可以选择采用使用点频还是扫 频进行测量 功能很强大 在微波电路设计与计算中 必须充分掌握元器件的特 性参数 即必须对表述元器件特性的全部网络参数进行全面测量 才能进行可靠 的设计 5 6 目前在微波元器件中 包括微波晶体管在内 大多数采用散射参量表征它们 的特性 微波元器件散射参量的测量主要依靠实验方法测量 在早期只能进行点 频测量 即在一个或多个固定频率点上进行 测量较为简单 因此对测量设备的 性能要求不是很高 随着系统及元器件逐步向宽频带方向发展 常常需要在所要 求的宽频带内多个频率点上进行测量才能了解被测器件的宽频带特性 早期的测 量设备不仅只能进行点频测量 而且每频率点测量所消耗的时间也比较长 这样 在测量宽频带器件时就显得非常繁琐 工作效率低 并且由于测量频率点选取的 疏密不同而影响测量结果 特别是对于某些特性曲线的锐变部分以及个别失常 点 很可能由于测量频率点选取不到而使得测量结果不能反映真实结果 7 矢 量网络分析仪的出现使得在很宽的频带内进行扫频测量 并显示网络全部散射参 数的幅度和相位值成为可能 并随其进一步发展成为计算机控制 在一系列步进 频点上测量网络参数并能自动扣除误差和处理数据的自动网络分析仪 大大提高 了工作效率和测试质量 成为无线电技术必不可少的测量设备 2 华东师范大学硕士学位论文 1 2 2 矢量网络分析仪的发展背景 自1 9 6 7 年h p 公司首先制成了宽带扫频式微波网络分析仪开始 直到今日 由于矢量网络分析仪的高技术含量 高研发成本和高生产成本 世界上有能力研 制矢量网络分析仪的公司并不多 美国的a g i l e n t 公司 w i l t r o n 美国微冲 公司 s d 公司 法国m e t r a v i b 公司 德国的罗德 施瓦兹公司 r s 日本的 a n r i t u s 公司 安立公司 以及中国的电子工业部第四十一研究所等是世界上为 数不多的拥有研发和生产矢量网络分析仪能力的公司 目前 世界上测量仪器的主要供应商是美国a g i l e n t 公司 a g i l e n t 的矢量 网络分析仪主要有p n a 和e n a 两个系列 8 p n a 系列的微波网络分析仪的扫频 范围为3 0 0 k h zt o1 i 0g h z 动态范围可以达到1 3 6 d b 具有时域测量功能 采用 t r l 法校准 p n a 仪器受到在开放环境下的w i n d o w s 操作系统的强大支持 从而 允许用户运行仪器内部的任何兼容软件 且使仪器成为企业网的一部分 e n a 系 列的射频网络分析仪的扫频范围为3 0 0k h zt o8 5g h z 1 2 2 d b 的动态范围 可 进行准确 快速和多口网络的s 参数测量以及时域测量 通过探索研究 目前国内在矢量网络分析仪的理论研究方面已经取得了一些 成果 我国的信息产业部电子第4 1 研究所己成功研制成最高扫频范围可达 1 i o g h z 的矢量网络分析仪 在工作频带 测量精度 动态范围和高速实时性方 面都有所突破 但我们仍需清醒的看到 国内在矢量网络分析仪研发能力立方面 与国外相比还存在一定差距 不论从技术指标 仪器的稳定性 可靠性还是用户 界面的可操作性 外观等方面都相对有一定欠缺 所以现在国内的企业正在加紧 研制符合国内需要的矢量网络分析仪 1 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统的背景 2 0 世纪9 0 年代后 嵌入式系统设计进入了一个高速发展的阶段 从以嵌入 式微处理器 d s p 为核心的 集成电路 级设计逐渐转向 集成系统 级设计 提出了片上系统s o c s y s t e mo nac h i p 为核心的基本概念 1 0 s o c 为高性 能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬件平台 也为嵌入式操作系统的广泛使用 提供了硬件基础 从2 0 世纪8 0 年代开始就陆续出现了一些嵌入式操作系统 比 较著名的有v x w o r k s w i n d o w sc e p a l m u c l i n u x p s o s u c o s i i 和l i n u x 等 近年来 随着嵌入式系统己进入以s o c 为核心的设计阶段 并开始逐步实用 化 规范化 大量高性能 面向实际应用 集成多种系统功能的s o c 芯片成为高 端嵌入式应用的硬件核心 为可靠 高效 低成本地运行嵌入式操作系统提供了 华东师范大学硕士学位论文 硬件平台 再加上嵌入式系统软件开发复杂度地增加 嵌入式操作系统开始了真 正地广泛使用 在众多的嵌入式操作系统中 大部分的操作系统价格昂贵 维护升级成本高 因此源码开放的u c l i n u x u c o s l l 和l i n u x 被大家比较看好 从1 9 9 1 年l i n u x 着手开发l i n u x 系统并发布了第一个版本开始 l i n u x 成为一种越来越流行的的 操作系统 作为一款免费的操作系统 用户可以通过网络或其他途径免费获得 并可任意修改其源代码 全世界的无数程序员参与l i n u x 的修改 编写工作 根 据自己的兴趣和灵感对其进行改变 爱好者按照自己的需要自由修改 复制和发 布程序的源码 并公布在i n t e r n e t 上 l i n u x 吸收了无数程序员的精华 不断 壮大 所有的这些使得l i n u x 成为一个比较理想的操作系统 1 1 因为它不是一 个人或是一个团队的努力成果 而是来自世界各地的编程专家共同努力的结晶 在来自世界各地的人们共同协作下 l i n u x 逐渐发展成为m i c r o s o f t 的一个强劲 对手 同时 任何人进行程序开发时遇到任何困难 都可以通过i n t e r n e t 网络 向世界各地的人们寻求帮助 解决问题 1 3 本论文研究内容和创新之处 本论文首先简略介绍实现矢量网络分析仪的正交混频方案以及实现人机接 口的方案 接下来具体介绍各个模块的实现 主要架构如下 第一章主要介绍本文的研究背景及意义 并详细介绍了国内外矢量网络分析 仪的发展现状以及嵌入式l i n u x 操作系统的背景 第二章讲述矢量网络分析仪的原理和人机接口的设计方法 给出了矢量网络 分析仪的正交混频方案结构图 人机接口设计结构图以及l i n u x 开源系统 第三章主要介绍人机接口设计所基于的a r m 开发平台 具体介绍它的硬件构 成和软件开发设计 包括核心微处理器的概述 开发环境的搭建和开发工具 第四章主要是具体介绍输入输出模块的实现 分为用于数据采集的a d 模块 和发出控制信号的输出模块的实现以及所必需的驱动程序的开发 第五章详细介绍了数据处理模块的实现 分小节讲述了矢量网络分析仪误差 模型的建立和实现 以及相关数据的存储解决方案 第六章介绍人机交互模块的设计 分为用于显示的l c d 液晶模块和用于接收 用户数据输入的键盘模块 第七章叙述论文成果和有待改进的地方 本文的创新之处为 l 基于嵌入式l i n u x 开源系统进行设计 在降低了系统支出成本的同时 提高了系统的安全性 可维护性以及易于升级 4 一些奎堕蔓奎兰墅主堂垡笙奎 一 一一一 2 结合实际运用 在数据处理时采用四项误差模型 简化系统复杂性的同 时 实现了系统的实时性 华东师范大学硕士学位论文 第二章整体设计 2 1 开源系统l i n u x 简介 2 1 1 关于开源的概念 开源系统软件 通常也称为自由软件 是指源代码公开的计算机程序 它所 有人都是开放的 任何人都可以来检查 变更和重新发布这些代码 1 2 而在封 闭源代码的商业应用程序中 这些代码是被当作商业秘密被严格保护的 只有公 司内部相关人员才能获得这些代码 软件用户不能复制或重新发布这个软件 否 则就会被视为 偷窃 因此开源系统相对于那些商业性的w i n c e 系统而言 具 有以下的优势 1 总体拥有成本降低 与私有软件相比 采用开源软件需要的总体拥有成本将有很大程度地降低 在这方面国外已经有相当多的研究数据 c y b e r s o u r c e 的一项研究显示 与微软 解决方案相比较 使用开源软件能降低2 4 至u3 4 的t c o 特别是对于学校来说 经费有限 因此可降低软件的使用成本是吸引高校使用开源软件的一个重要原 因 2 更高的性能 可靠性 低成本并不是意味着低性能 一些比较成熟的开源软件比同类的私有软件具 有更高的性能 可靠性和安全性 开源软件的开发方法更容易保证软件的质量 在大量开发者共同的审视下 软件的缺陷能够很快地被查处和修改 这使得软件 的性能和可靠性得到提高 3 减少对商业软件的依赖性 使用开源软件可以逐步摆脱商业软件公司在技术上的束缚 特别是对于高等 教育机构这点尤其重要 可以减少许多高校管理者对商业软件提供商对高校中心 工作的控制力越来越大 学校在很多方面的发言权越来越弱小的担忧 4 本地化和定制的可能 很多开源软件都提供了本地化功能 开发时可以对特定的语言包进行翻译 从而可以方便地将界面语言转换为当地语言 而对于私有软件来说 本地化则受 制于商业利益 当市场规模较小时 私有软件就不会被本地化 供当地用户使用 了 开源也使得对软件的个性化定制成为可能 尤其是对教育机构来说 可以根 6 华东师范大学硕士学位论文 据制度 文化和需求对源代码进行修改和二次开发来达到自己的需求 2 1 2 关于l i n u x 的简介 l i n u x 是一款免费的操作系统 用户可以通过网络或其它途径获得 并可以 任意修改其源代码 同时l i n u x 的开放源码对外免费提供 爱好者和使用者可以 按照自己的需要自由修改 复制和发布程序的源码 并公布在i n t e r n e t 上 与 其他操作系统相比 l i n u x 具有以下优势及特点 1 3 1 4 1 系统稳定 功能强大 简单易用 l i n u x 在许多方面与u n i x 类似 可以说是一个很小的系统 用来启动只需 要小到5 0 0 k 字节不到的目标代码 完全可以把l i n u x 内核和根文件系统放在一 张软盘上 启动一台硬件条件最小的机器 也可以利用l i n u x 实现从网络启动 实现网络无盘工作站 l i n u x 的系统界面 编程接口和传统的u n i x 类似 大量 在u n i x 下的程序员可以很方便的从u n i x 环境转移到l i n u x 环境下来 而不像从 u n i x 环境转移到w i n d o w s 开发环境那样复杂 在l i n u x 平台上的应用软件也不 断得到扩充 许多著名的商业软件都有了l i n u x 下的版本 l i n u x 将来也必然走 进千家万户 成为w i n d o w s 强而有力的竞争者 2 使用成本低 l i n u x 是免费软件 只要遵守g p l 的规定 就可以免费获得拷贝 l i n u x 下 有同样遵循g p l 规定的c c 抖 j a v a 等等一系列的软件工具开发包 从功能角 度上看并不亚于商用开发包 同时可以极大的降低开发成本 这点优势是其他商 用操作系统无法比拟的 3 文档完善 l i n u x 有非常多的文档支持 从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机 帮助文档 l i n u x 是互联网充分发展的产物 许多关于l i n u x 的文档都可以在 i n t e r n e t 上找到和下载 l i n u x 文档工程是为l i n u x 提供系统化的文档支持的项 目 在世界上许多程序员和用户的帮助下 它已经收集了非常详细的系统文档和 使用文档 而且 各种关于l i n u x 的书籍和杂志正如雨后春笋般地出现 大量的 英文资料也正在翻译成中文 方便中文使用者 4 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分 基本上所有的网络协议和网络接口都 可以在l i n u x 上找到 l i n u x 内核比标准的u n i x 更加高效地处理网络协议 系 统的网络吞吐性能非常好 这也是为什么l i n u x 在网络服务器市场上占据越来越 大市场份额的一个原因 5 提供对多种处理器的支持 7 华东师范大学硕士学位论文 l i n u x 内核提供对多种处理器的支持 并且正在进 步增加对嵌入式微处理 器的支持 l i n u x 目前的内核支持i n t e lx 8 6 m o t o r o l a i b mp o w e r p c a r m 3 9 0 s u p e r h 等处理器体系结构 2 2 矢量网络分析仪的基本原理 2 2 1 矢量网络分析仪的基本原理框图 任何微波系统中的微波电路都是由若干带有不同端口数的有源及无源元器 件组成 它们可以分别看成单口 双口或多口网络 1 5 由于多端口元件的测量 通常是将其输入输出以外的其它端口接匹配负载 而将其视为一个二端口网络测 量 故二端口网络是微波元件测量中最有代表性的模型 作为网络本身特性的表 征有多种不同的数学表示方法 但在微波测量技术中 用的最多的是散射矩阵表 示法 矢量网络分析仪正是通过测量待测元器件的散射参量来描述其反射和传输 特性 目前比较成功的矢量网络分析仪大都属于频率转移式方案 就是将接在微波 电路中的被测网络 通过信号分离电路取出它的入射波信号的一部分作为参考信 号 同时取出其反射波信号或传输波信号的一部分作为测试信号 再用某种频率 转移方法 包括单边带调制 调制副载波 外差变频及采样变频等 将该两路微 波信号中所包含的幅度和相位信息线性的转移到较低的中频或低频上 以便于较 好的进行幅度和相位关系的测量 这样做也有利于在很宽频带内实现连续或步进 扫频测量 以显示待测网络的s 参数随频率的变化情况 但上述这种矢量网络分析仪的原理和结构大多比较复杂 且价格昂贵 经过 对目前国内外一些在矢量网络分析仪方面的研究的分析 我们提出来了一种较为 简单的射频矢量网络分析仪的方案 不需要频率转移而直接提取待测件 d u t 的幅度和相位信息 关键是使用0 2 7 g h z 的幅度 相位检测芯片a d 8 3 0 2 本文 的研究正是基于这种较为简单的射频电路设计 下面介绍一下这种射频矢量网络 分析仪的结构 并分析其基本的工作原理 华东师范大学硕士学位论文 图2 i 矢量网络分析仪的结构框图 射频矢量网络分析仪的具体的系统框图如图2 i 所示 整个设计采用4 g h z 的频率源 将源信号和4 o 一6 0 g h z 的v c o 晶振信号送入正交下变频器 转移到 较低的中频信号后通过滤波器放大器送入定向耦合器 再通过选择器分别将测试 信号 两路正交的参考信号送入a d 8 3 0 2 射频幅度 相位监测器 所得结果经a d 转换后进入后期处理 后期处理所需的微处理器 以及显示 键盘面板 数据处 理 a d d a 等模块通过总线相连 进行通信 2 2 2 幅相检测芯片 a d 8 3 0 2 的幅相检测原理 a d 8 3 0 2 是一片r f i f 幅度和相位检测芯片 a d 8 3 0 2 是用于r f i f 幅度和相位 测量的首款单片集成电路 主要由精密匹配的两个宽带对数检波器 一个相位检 波器 输出放大器组 一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成 能 同时测量从低频到2 7 g h z 频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差 该器 件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上 因而可将误差源及相关温度 漂移减小到最低限度 幅度测量的动态范围扩展n l j 6 0 d b 而相位测量范围可达1 8 0 度 1 6 1 7 a d 8 3 0 2 的幅度检测的数学模型为 g l o g l o 其中 分别是两路输入信号的电压 为斜率 g 表示a d 8 3 0 2 的v m a g 引脚的输出的电压 与输入的两路信号a b 的幅度 d b 差成正比 a d 8 3 0 2 的相位检测的数学模型为 降 一西 其中 分别表示a b 两路输入信号的相位 单位是度 为斜率 巧嬲表示a d 8 3 0 2 的v p h s 引脚的输出电压 与输入的两路信号a b 的 相位差成比例 a d 8 3 0 2 理想的幅度和相位测量转移特性曲线见图2 2 9 华东师范大学硕士学位论文 口 啪l i l v o粕呻 m a g n 咖d er a t i o 一由 图2 2 幅度 相位检测器a d 8 3 0 2 的理想幅度转移特性曲线 图2 3 幅度 相位检测器a d 8 3 0 2 的理想相位转移特性曲线 由输出电压v m a g 与幅度比的关系曲线可知 只要得到检测器a d 8 3 0 2 的v m a g 引脚电压值 0 1 8 v 就可以由曲线得到两路输入信号的幅度比 在我们的测 量电路中就是测试信号与参考信号的幅度比值 由输出电压v p h s 与相位差的关系曲线可知 既是得到检测器a d 8 3 0 2 的v p h s 引脚输出电压值 0 1 8 v 我们也只能由关系曲线推出两路输入信号的相位之 差的绝对值 无法判断其正负 可见必须采用两路相位不同的信号为参考信号才 能判断出测试信号的相位 2 3 人机接口设计概述 人机接口实际上是一个人机交互的系统 其主要任务是接收来自射频测量模 块的数据进行处理 并通过显示屏以适当的形式显示出来 同时通过键盘接收操 作人员的控制命令 通过i o 口控制其它模块 通过u s b 口与外界交换数据 l o 华东师范大学硕士学位论文 图2 4 人机接口原理框图 人机接口部分的原理框图如图2 4 所示 其核心部分是一块s a m s u n g 公司的 3 c 2 4 1 0r i s c 处理器 在它的控制下实现各部分的功能 显示模块的设计是 3 c 2 4 10 a 通过i o 口连接的l c d 控制器进行显示数据的传输和产生控制信号 在 这里我们选用的是一块3 2 0 2 4 0 的彩色液晶显示屏 数模转换模块的实现是通过 i o 口 3 c 2 4 1 0 a 控制刖d 转换器 将电压值转换为数字信号 再送入处理器供其 它模块使用 键盘电路的采用了支持i i c 总线协议的芯片z l g 7 2 9 0 b s 通过i i c 总 线连接到 s c 处理器 z l g 7 2 9 0 可扩展为6 4 位键盘 完全满足我们的需要 与 外部其它仪器的交互主要通过u s b 接口电路 u a r t 串口以及其它i o 口实现 如 通过u s b 口进行仪器与外界的数据互换 u a r t 口用于与电脑连接 i o 口可以发 出控制扫频源等电路的外部控制信号 2 4 本章小结 本章主要介绍了我们开发设计中所要使用的l i n u x 系统 对它的优势和特点 进行分析 这是我们最终决定选择该操作系统的原因 然后介绍了我们所要进行 开发的矢量网络分析仪的整体设计框架 从中剥离出属于我们人机接口设计的部 分 并在此基础上给出了人机接口设计的整个构想 描述了它的整体结构 接下 来章节会对主要模块的实现做出具体阐述 华东师范大学硕士学位论文 第三章a r m 开发平台 3 1a r m 架构的介绍 删 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c微 处理器知识产权设计供应商 通过将其高性能 低成本 低功耗的r i s c 微处理 器 外围和系统芯片设计技术转让给合作伙伴来生产各具特色的芯片 1 8 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来 在3 2 位r i s c 开发领域不断取得突破 设计了 大量高性能 廉价 耗能低的r i s c 处理器 其结构已经从v 3 发展到v 6 a r m 公司以i p 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权 而本身并不介入芯 片的生产销售 其设计的芯核具有低功耗 低成本等显著优点 适用于多种领域 比如嵌入控制 消费 教育类多媒体 d s p 和移动式应用等 因此获得众多的半 导体厂家和整机厂商的大力支持 在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功 目前己经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场 在中高端嵌入式应用领 域确立了市场领导地位 1 9 现在设计 生产a r m 芯片的国际大公司己经超过 5 0 多家 基于a r m 核的产品有 i n t e l 公司的s t r o n g a r m 系列和x s c a l e 系列 f r e e s c a l e 公司的龙珠系列i m x 处理器 t i 公司的d s p 删处理器0 m a p 及c 5 4 7 0 c 5 4 7 1 c i r r u sl o g i c 公司的a r m 系列 e p 7 2 1 2 e p 7 3 1 2 e p 9 3 1 2 等 s u m s u n g 公司的a r m 系列 s 3 c 4 4 8 0 3 c 2 4 0 0 3 c 4 5 1 0 3 c 2 4 1 0 等 a t m e l 公司的a t 9 1 系列微控制器 a t 9 1 m 4 0 8 0 0 a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 等 n x p 原p h i l i p s 公司半导体部 公司的a r m 微控制器 l p c 2 1 0 4 n e t s i l i c o n 公司的a r m 系列 n e t a r m t r i s c e n d 公司a r m 系列产品 a 7 系列 s t 公司a r m 系列 s t r 7 系列和s t r 9 系列 目前流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i a r m 7 2 0 t a r m 9 t d m i a r m 9 2 2 t a r m 9 4 0 t r m 9 4 6 t a r m 9 6 6 t a r m i o t d m l 等 自v 5 以后 a r m 公司提 供p i c c o l od s p 芯核给芯片设计者 用于设计a r m d s p 的s o c 结构的芯片 此外 a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持 比较知名的有 w h d o w sc e l i n u x v x w o r k sm u c l e u s e p o c u c o s n e t b s d 等 同时删 处理器的体系结构也很丰富 适合各种类型的应用 目前较新的a r m l l 使用了 8 级流水线结构 在0 1 3 微米工艺下 a r m l l t m 的运行频率高达5 0 0 7 0 0 m h z 1 2 华东师范大学硕士学位论文 由于a r m 公司出售珀核 用户可以根据自己的需要对其进行封装 增加接口 组成s o c 芯片 比如三星的s 3 c 4 4 b o x 芯片中就封装了l c d 控制器 串口 时钟 a d d a 音频总线等各种接口 通过封装 a r m 芯片提供了强大的功 能 使硬件设计更为简单 缩短了产品的设计周期 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器 提供一系列内 核 体系扩展 微处理器和系统芯片方案 由于所有产品均采用一个通用的软件 体系 所以相同的软件可在所有产品中运行 理论上如此 因此a r m 架构为系 统软件提供了统一平台接口 3 2 嵌入式系统介绍 嵌入式系统通常由嵌入式处理器 外围设各 嵌入式操作系统和应用软件等 几大部分组成 2 0 嵌入式处理器式嵌入式系统的核心部件 它与通用处理器的 最大不同点在于嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中 把通用计 算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化 并具有高效率 高可靠性等特征 外围设备是指在一个嵌入式系统中 嵌入式处理器以外的完成存储 通信 调试 显示等辅助功能的其他部件 主要 分为 存贮器 静态易失型存贮器 r a m s 删 动态存贮器 d r a m 和 非易失型存贮器 f l a s h 接口 并口 r s 2 3 2 串口 i r d a 红外接口 s p i 串 行外围设备接口 i c i n t e ri c 总线接口 u s b 通用串行总线接口 e t h e m e t 网口等 人机交互 l c d 键盘和触摸屏等人机交互设备 嵌入式操作系统是 一种稳定 安全的软件模块集合 用来管理存贮器分配 中断处理 任务间通信 和定时器响应 以及提供多任务处理等 嵌入式系统同p c 系统相比具有以下特点 1 嵌入式系统功耗低 体积小 专用性强 嵌入式系统与p c 的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中 能够把p c 中许多由 板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 2 为了提高执行速度和系统可靠件 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中 而不是存储于磁盘等载体中 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 系统要精简 操作系统一 般和应用软件集成在 起 4 对软件代码质量要求很高 应该尽最大可能避免 死机 的发生 5 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境 从2 0 世纪8 0 年代开始 市场上出现了各种各样的商用嵌入式操作系统 这些操作系统大多数是为专有系统开发的 从而逐步演化形成了现在多种嵌入式 华东师范大学硕士学位论文 操作系统相互竞争的局面 这些操作系统中 主要的有影响力的有 l i n u x v x w o r k s u c o s 和w i n d o w sc e 等 2 1 1 2 2 3 2 1l i n u x 系统 在计算机技术的发展史上 u n i x 操作系统的出现是一个重要的里程碑 早 期的u n i x 曾免费供美国及一些西方国家的大学和科研机构使用 并提供源代码 后来l i n u s t o r b a l d s 主持了u n i x 的迸一步开发 并命名为l i n u x l i n u x 是一 种很受欢迎的操作系统 它与u n i x 系统兼容 开放源代码 它原本被设计为桌 面系统 现在广泛应用于服务器及嵌入式开发等领域 根据相关报告 l i n u x 已 经成为全球第二大操作系统 它发展如此之快的根本原因在于产品的成本 在拥 有先进技术的同时 免费的l i n u x 使其成为不少企业的首选 在进入市场后 嵌入式l i n u x 的设计经过广泛的应用而获得了巨大的成功 随着嵌入式l i n u x 技术的成熟 定制需要的大小尤为方便 同时支持了更多的平台 使得l i n u x 成 为了嵌入式系统的主流 另有一种常用的嵌入式l i n u x 是u c l i n u x 它去掉了 l i n u x 中的内存管理单元 主要用于没有内存管理单元的微处理器 比如三星公 司的s 3 c 4 4 b o x 处理器 该系统直接访问内存 所有程序都直接使用物理地 自e 3 2 2v x w o r k s 系统 v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统 软件 为程序员提供了高效的实时仟务调度 中断管理 实时的系统资源以及实 时的任务间通信 应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身 而不必 再去关心系统资源的管理 该系统主要应用在单板机 数据网络 以太网交换机 路由器 和通信等方面 其核心功能主要有 1 微内核谢n d 2 任务间通信机制 3 网络支持 4 文件系统和i 船管理 5 p o s i x 标准实时扩展 c 以及其他标准支持 这些核心功能可以与w m d r i v e r 系统的其他附件和t o r n a d o 合作伙伴的 产品结合在一起使用 谁都不能否认这是一个非常优秀的实时系统 但其昂贵的 价格使不少企业望而却步 1 4 华东师范大学硕士学位论文 3 2 3u c o s 系统 u c o s 是一个典型的实时操作系统 该系统从1 9 9 2 年开始发展 目前流 行的是第二个版本 即u c o si i 它的特点可以概括为以下几个方面 公开源 代码 代码结构清晰 明了 注释详细 组织有条理 可移植性好 可裁剪 可 固化 内核属于抢占式 最多可以管理6 0 个任务 自从清华大学邵贝贝教授将 j e a n j l a b r o s s e 的u c o s t h er e a l t i m ek e r n e l 一书翻译后 在国内掀起u c o s i i 的学习热潮 特别是在教育研究领域 u c o s 系统在教育研究项域是免费的 该系统短小精悍 是研究和学习实时操作系统的首选 3 2 4w i n d o w sc e 系统 w i n d o w sc e 是微软公司的产品 但它不是削减的w i n d o w s 版本 它是从 整体上为有限资源的平台设计的多线程 完整优先权 多任务的操作系统 w 恤d o w sc e 采用模块化设计 并允许它对从掌上电脑到专用的工控电子设备进 行定制 操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 从s e g a 的 d r e a m c a s t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑都采用了w i n d o w sc e 作为操 作系统 其缺点是价格过高 使得整个产品的成本急剧上升 随着嵌入式操作系 统领域日益激烈的竞争 微软不得不应付来自1 i n u x 等免费系统的冲击 微软 在w i n d o w sc e n e t4 2 版中 增加了一项授权价仅3 美元的精简版本 w m d o w sc e n e tc o r e w m d o w sc e n e tc o r e 具有基本的功能 包括实时o s 核心 r e a l t i m eo sk e r n e l 档案系统 i p v 4 i p v 6 w l a n 蓝牙等联网功能 w i n d o w s m e d i ac o d e c n e t 开发框架以及s q ls e r v e r 微软推出低价版本 w i n d o w sc e n e t c o r e 主要是看好语音电话 w l a n 的无线桥接器和个性化 视听设备的成长潜力 3 3 硬件架构介绍 3 3 1 硬件开发平台 我们在目前的开发阶段采用的是e m b e s te d u k i t i i i 型实验开发板 该平台 是一款功能强大的3 2 位嵌入式开发板 采用s a m s t m g 公司的以a r m 9 为内核的 s 3 c 2 4 1 0 r i s c 微处理器 提供了键盘 a d 转换器 l c d 串口等功能模块 基本满足了我们现阶段的开发要求 华东师范大学硕士学位论文 3 3 2 微处理器介绍 图3 1 开发板的功能模块框图 实验箱所采用的 3 c 2 4 1 0 a 微处理器提供了 组完整的系统外围设备 从而 大大减少了整个系统的成本 省去了为系统配置额外器件的开销 其主要片上集 成功能包括 分开的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 用于虚拟存储器管 理的m m u l c d 控制器 n a n df l a s h 启动装载器 系统管理器 3 通道u a r t 4 通道d m a 4 通道p w m 定时器 i o 口 r t c 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏 接口 1 2 c 总线接口 1 2 s 总线接口 u s b 主设备 u s b 从设备 s d 主卡和m m c m u l t i m e d i ac a r d 多媒体卡 卡接口