（电力电子与电力传动专业论文）基于dds函数发生器的自动测试系统的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 f i i i ii ii ii ii1 1 1 1iiiiiiiii 18 8 4 6 9 8 作者郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：磊埘诌 日期：洲眸了目卯反 指导教师签名： 日期：加，一易，口 ， 西华大学学位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留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：雄仓锯 指导教师签名： 彤7 毒 e l 期：驯鼻j 日和日 e t 期： 汐，一占一， l 摘要 随着科学技术的日新月异，对电子测试任务提出的要求与口剧增，测试内容越来越 复杂，测试工作量急剧增加，以及对测试设备的测量精度、测量范围和可靠性等方面也 提出了越来越高的要求。传统的人工测试效率太低，渐渐不能满足设计的要求，自动测 试技术应时而生，并且在生产和研究等领域得到了很好的发展。 本论文针对由s 3 c 4 4 b o xa r m 处理器和f p g a 构成的d d s 函数发生器的设计进行 了描述，并对由该仪器和r i g o l ed s l 0 5 2 e 示波器组成的自动测试系统进行了构建， 同时对实验室现有的放大板进行了自动测试。由于d d s 函数发生器和示波器都配有 u s b 接口，因此，该系统是在通用串行总线u s b 基础上进行的设计，自动测试系统的 软件是在l a b w i n d o w s c v i 环境下进行开发的，并通过v i s a 函数库实现了控制机与仪 器之间信息的交互。 本论文首先介绍了自动测试系统和d d s 函数发生器的研究背景、发展现状和设计 的主要内容；随后介绍了自动测试系统的构建：其次重点介绍了系统的各部分的硬件设 计和软件设计：最后分享了整个系统的调试过程中需要注意的问题和遇到的问题，以及 解决的方法并且对整个系统的设计进行了总结。 通过在系统上运行了自动测试程序，整个系统能够在无任何人工干预的情况下，在 自动测试程序的控制下完成整个测试任务，达到了自动测试系统的设计要求。 关键词：自动测试；a r m ；f p g a ；d d s ；l a b w i n d o w s c v i 基于d d s 函数发生器的自动测试系统的研究 a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f r e q u e s t so ft h ee l e c t r o n i ct e s t i n gt a s k s ，t h et e s tc o n t e n tw e r em o r ea n dm o r ec o m p l e xa st h e w o r k l o a di n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y h i g h e rr e q u i r e m e n t sw e r ep u tf o r w a r do nt h em e a s u r e m e n t p r e c i s i o n , m e a s u r e m e n tr a n g ea n dr e l i a b i l i t yo ft e s te q u i p m e n t s t h et r a d i t i o n a lm a n u a l t e s t i n gw i t hl o we f f i c i e n c yc o u l dn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fd e s i g ng r a d u a l l y s ow a s b o r n et h ea u t o m a t i ct e s t i n gt e c h n o l o g yw h i c hh a sa l r e a d yg o tag o o dd e v e l o p m e n ti nt h ea r e a s o fp r o d u c t i o na n dr e s e a r c h i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no fd d sf u n c t i o ng e n e r a t o rc o m p o s e do ft h es 3 c 4 4 8 0 xa r m p r o c e s s o ra n df p g a w a sd e s c r i b e d w i mt h ee q u i p m e n to fr i g o l e d s10 5 2 eo s c i l l o s c o p e t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e mw e r eb u i nt ot e s ta ne x i s t i n ga m p l i f i c a t i o nb o a r di nl a b b o t hd d s f u n c t i o ng e n e r a t o ra n do s c i l l o s c o p ew e r ee q u i p p e dw i t hu s bi n t e r f a c e ，s ot h i ss y s t e mw a s d e s i g n e do nt h eb a s i so ft h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b t h es o f t w a r ei nt h ea u t o m a t i ct e s t s y s t e mw a sd e v e l o p e di nl a bw i n d o w s c v ie n v i r o n m e n t 。a n dt h ef u n c t i o no fi n f o r m a t i o n i n t e r a c t i o nb e t w e e nc o n t r o lm a c h i n ea n di n s t r u m e n t sw a sr e a l i z e db yt h ev i s af u n c t i o n l i b r a r y t l l i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d , d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f a u t o m a t i ct e s ts y s t e ma n dd d sf u n c t i o ng e n e r a t o ra n dt h em a i nc o n t e n to fd e s i g n t h e nt h e c o n s t r u c t i o no fa u t o m a t i ct e s ts y s t e mw a se x p o u n d e di nw h i c ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e i g no fe a c hp a r to ft h es y s t e mw e r ee m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d i nt h ee n d i n gs e c t i o n , a c o n c l u s i o nw a sm a d eo nt h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi nw h i c ht h ep r o b l e m sa n dm a t t e r s n e e da t t e n t i o ni nt h ed e b u g g i n gp r o c e s sw c r eg i v e na n dt h es o l v i n gm e t h o d sw e r ep u t f o r w a r d 咖er u n n i n gt h ea u t o m a t i ct e s tp r o c e d u r e s ，t h es y s t e mc o u l dc o m p l e t et h ee n t i r e t e s t i n gt a s k su n d e rt h ec o n t r o lo ft h ea u t o m a t i ct e s tp r o g r a mw i t h o u ta n yh u m a ni n t e r v e n t i o n s w h i c hw o u l df m a l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e m k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct e s t ；a r m ；f p g a ；d d s ；l a b w i n d o w s c v i ； i i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外发展现状2 1 2 1自动测试系统国内外发展现状2 1 2 2d d s 函数发生器的发展现状3 l - 3本课题研究内容3 2自动测试系统的构建4 2 1 自动测试系统的结构4 2 2 基于d d s 函数发生器自动测试系统的构建5 3可程控d d s 函数发生器的硬件设计6 3 1 硬件设计方案6 3 1 1d d s 函数发生器的设计方案6 3 1 2u s b 接口板的设计方案6 3 1 3 可程控d d s 函数发生器的硬件设计7 3 2 处理器模块电路设计8 3 2 1a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 介绍8 3 2 2 静态存储器电路设计1 0 3 2 3 动态存储器电路设计1 1 3 2 4 复位电路设计1 2 3 2 5电源和时钟电路设计1 3 3 2 6l c d 显示电路设计1 4 3 3f p g a 模块设计1 4 3 3 1f p g a 介绍1 4 3 3 2d d s 函数发生器模块设计1 6 3 3 3双m c u 通讯接口模块的设计2 6 3 3 4f p g a 的配置3 0 3 3 5f p g a 电源电路设计3 2 3 4d a 转换电路设计3 3 3 5 滤波器电路设计3 5 基fd d s 函数发生器的自动测试系统的研究 3 6u s b 接口板设计3 7 3 6 1u s b 概述。3 7 3 6 2u s b 接口板电路设计3 8 4 可程控d d s 函数发生器的软件设计4 0 4 1d d s 函数发生器监控程序设计4 0 4 1 1a r ma d s 集成开发环境4 0 4 1 2d d s 函数发生器监控程序流程图4 1 4 1 3 初始化程序设计4 2 4 1 4f p g a 与a r m 通讯子程序4 5 4 1 5 外部中断服务程序设计4 6 4 2u s b 接口板程序设计4 7 4 2 1s c p i 解析模块4 7 4 2 2u s b 接口的软件流程图4 8 4 2 3u s b 接口控制程序设计4 8 5 基于l a b w i n d o w s c v i 自动测试系统软件的设计51 5 1l a b w i n d o w s c v i 开发环境51 5 2 n i s a 简介：5 2 5 3 控制机界面设计。5 3 6 系统调试与结果5 8 6 1 硬件调试5 8 6 2 软件调试5 8 6 2 1d d s 函数发生器核心板软件调试5 8 6 2 2u s b 接口软件调试5 9 6 2 3 控制机界面软件调试5 9 6 3 调试结果6 0 结论6 3 参考文献6 4 附录as 3 c 4 4 b o x 基本电路图6 6 附录bd d s 函数发生器p c b 图6 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 8 致 谢6 9 1 1 研究背景及意义 随着科学技术和生产的发展，对现代电子测试任务提出了越来越高的要求。测试内 容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能、性能、测试速度、测试精度等 方面的要求也日益提高。针对被测对象日益复杂，测试项目不断增多，而重新设计新的 测试系统又投资过大，并且对系统的测试速度，测试性能的要求也越来越高等情况，传 统的人工测试已经很难满足要求，发展自动测试技术成为必然的出路。 早期的自动测试系统【l 】基本足为了某种特定的测试任务而专门设计的专用系统；发 展到2 0 世纪6 0 年代后期，自动测试系统开始采取积木式或组合式的组建概念，即是尽 可能利用各种现成的通用仪器设备和一台现成的计算机，来拼凑成自动测试系统。这种 积木式概念简化了自动测试系统的组建工作，节省了不少人力物力，从而也得到了广泛 的应用。自动测试系统通常是在标准的测控系统总线或仪器总线基础上组建而成，因此， 基于通用接口总线的自动测试系统得到广泛的应用，接口的标准化也成为程控仪器在不 同总线的自动测试系统中稳定工作的首要任务。 波形发生器【2 】是一种为电子测量工作提供电信号的设备。它是最基本、最普通的电 子仪器设备之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。具体来说主要应用在科 学实验领域、电子电路和自动控制等方面。随着通信、导航、雷达等相关领域的不断发 展，对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号输出波形 的形状也提出越来越多的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标注波形，还能根据需 要产生任意波形。波形发生器的设计方法有很多种，但是随着电子技术的发展，各类信 号发生器不断出现，1 9 7 1 年由j t i e m e y 和c m t a d o r 等人提出的d d s ( 直接数字频率 合成) 技术，由于其操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、 准确度、及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等优点得到了很 大的发展，目前大多数函数发生器部采用这种技术。 本设计也是采用d d s 技术设计了函数发生器，并基于d d s 函数发生器组建了自动 测试系统。由于d d s 函数发生器带有通用接口，可以与三种不同接口模块( g p i b 、t c p i p 和u s b ) 进行通讯，因此可以很方便地构建基于不同总线的自动测试系统，完成不同的 测试任务。 基fd d s 函数发生器的自动测试系统的研究 1 2 国内外发展现状 1 2 1自动测试系统国内外发展现状 以计算机为核心，在程序控制下，自动完成特定测试任务的仪器系统称为自动测试 系统。自动测试系统将智能仪器、计算机技术、软件技术、接口和总线技术等有机的结 合在一起，最早是为适应多点自动巡回检测的需要而开发的。采用计算机技术以后，自 动测试系统有了极大的发展，不但可以快速自动地完成上百个物理参数和开关状态的巡 回检测，而且具有故障诊断、过程监测、数据分析等多项功能。 自动测试系统技术的发展经历了从专用型向通用型的演变【3 】。 ( 1 ) 第一代自动测试系统，多是专用系统，即为特定的任务而设计的，这种测试系 统的适用范围比较窄，主要应用在复杂的测试和高町靠行的测试中，缺乏一定的通用性； ( 2 ) 随着接1 ：3 总线技术的发展，第- 代自动测试系统出现了，它是以标准总线为基 础，将配有符合标准总线的接口电路的各种设备以积木式的形式组建在一起而构成的。 这种自动测试系统组建方式比较灵活、可靠性好，适合规模小的系统，传输速度不高。 ( 3 ) 随着计算机技术的发展，第三代自动测试系统应时而生，它是以l x i 、v x i 、 p x i 等标准总线为基础，主要由模块化卡式的仪器设备组成，并且通过标准总线互连组 成自动测试系统。这代自动测试的优点主要有：系统的体积小、传输速度高、组建灵活、 标准化程度高等，是当前先进的自动测试系统。 目前国外自动测试系统正朝着标准化、通用化、集成化、网络化和智能化的方向发 展。采用开放的商业标准和工业标准，从而减少自动测试系统的软件、硬件开发和升级 的周期和费用；组建通用化的自动测试系统，使软硬件资源可以共享，节省开发时间； 统一自动测试系统的软硬件开发过程，使测试设备的通用性和互换性得到改善和提高； 构建高性能测试系统，优化测试序列，缩短测试周期；构建网络化测试系统，实现测试 过程的远程控制与故障诊断等已成为国外自动测试系统发展的方向。 在国内，自动测试系统技术也有极大发展，正处于专用自动测试系统向通用自动测 试系统的转变过程中。在通用自动测试设备技术方面，按照系列化、标准化和模块化的 要求，基于g p i b 、v x i 和p x i 总线的在某一特定范围内通用的自动测试系统正在不断 出现。通用a t e 平台技术的研究和测试系统的仪器互换性、t p s ( 测试程序集) 开发技 术和基于测试信息共享的集成诊断技术的研究也在进展中。随着科技的日新月异，总线 技术会不断趋于完善，使自动测试系得到长足的发展，满足在测试领域中越来越高的要 习屯。 2 c m t a d o r 等人提出的， 技术没有受到重视；但 是随着电子测试、测量技术的不断发展，d d s 技术得到越来越广泛的应用。运用d d s 技术设计的函数发生器在航空航天、工业测试、国防等领域的应用也越来越广。 目前，国外的d d s 函数发生器的生产技术已经比较成熟，已经有很多不同性价比 的产品投入使用。其中，美国的a g i l e n t 和t e k t r o n i x 公司在这个领域的研究开发处于领 先的地位，如：t e k t r o n i x 公司的新型a w g 7 0 0 0 系列是当今世界上最快的函数发生器， 但是它的价格也相当昂贵。同时，很多厂商不断推出自己的d d s 芯片，d d s 芯片的性 能也越来越高。国外生产d d s 芯片的厂商主要包括：美国的a n a l o gd e v i c e s 、q u a l c o m 、 s t a n f o r d 等公司。 国内虽然很重视d d s 技术的发展，也得到越来越广泛的应用，但是由于对d d s 技 术的研究比较晚，与国外的一些国家相比在技术上还是比较落后的。生产的d d s 函数 发生器与国外的产品相比，在性能方面还有很大的差距。 1 3 本课题研究内容 本课题对自动测试系统和d d s 函数发生器的原理进行了研究，设计了d d s 函数发 生器，并且构建了基于d d s 函数发生器的自动测试系统，在自动测试程序的控制下完 成了测试任务。 本课题的研究内容可以分为以下几个部分： ( 1 ) d d s 函数发生器采用直接数字频率合成技术，通过软件与硬件相结合的方式实 现波形输出功能 ( 2 ) 通过p c 机实现仪器远程控制的s c p i 解析模块的设计 ( 3 ) 基于s c p i 解析模块的u s b 接口的设计 ( 4 ) 基于u s b 、t c p i p 、g p i b 接口的d d s 函数发生器自动测试程序的开发 基于d d s 函数发生器的自动测试系统的研究 2自动测试系统的构建 2 1自动测试系统的结构 通常把在人最少参号隋况下，利用计算机执行程序，控制测试过程并进行数据处理 直至以适当方式给出测试结果的测试系统称为自动测试系统。现代自动测试系统是计算 机技术、数字信号处理技术、自动控制技术和自动测量技术相结合的结果。计算机技术 和测量技术以不同的方式结合，可以组成不同结构的自动测试系统。我们可以将自动测 试系统的概念抽象成以下几个部分：可程控测试仪器、测试控制机、互连标准数字接口 和软件系统，如图2 1 所示。 可程控测 试仪器1 仪器本体i 器件功能 数字 接口 总线 系统 接口功能 可程控测 试仪器2 器件功能 接口功能 可程控测 试仪器1 1 器件功能 接口功能 接口功能 计算机本体 测试控制机 数字总线 测试应用软件 测试编程语言 操作系统 测试软件系统 图2 1 自动测试系统结构图 f i g 2 1t h eb l o c kd i a g r a mo f a u t o m a t i ct e s ts y s t e m 其中可程控测试仪器是为了完成特定的测试任务而选择的，并且带有接口功能区； 测试控制机是自动测试系统的控制核心部分，测试控制机具有两种功能：设备间互联的 标准接口总线资源管理和对测试设备的控制能力；数字接口总线为设备间传送信息提供 了一种有效的通讯网络；测控计算机执行测试程序，对测试设备进行操作，获得测试数 据，并且进行数据处理和分析，得到测试结果。 4 西华大学硕士学位论文 2 2 基于d d s 函数发生器自动测试系统的构建 本论文设计的自动测试系统是由本人设计的测试应用程序、可程控d d s 函数发生 器和实验宦现有的放大板，以及r i g o l ed s l 0 5 2 e 示波器组成的。该系统的测试应用程 序是在l a b w i n d o w s c v i 开发环境下进行设计的。由于本论文设计的可程控d d s 函数发 生器配有u s b 接口板，因此本自动测试系统是基于u s b 总线构建的( 基于实验室现有 的t c p i p 接口板和g p i b 板也可以组成不同的自动测试系统) 。 测试系统框图如图2 2 所示。 图2 2 测试系统框图 f i g 2 2 t h eb l o c kd i a g r a mo ft h e t e s ts y s t e m 将实验室现有的1 0 倍放大板做为被测元件，控制机按事先在l a b w i n d o w s c v i 开发 环境下编制好的自动测试序列向d d s 函数发生器发送控制命令。产生不同频率点的波 形。同时将输出信号送入被测元件放大板的输入端，并在输出端通过示波器对不同频率 点的输出结果进行测量。经过一段时间的延时，待放大板输出的信号稳定后，控制机向 示波器发送波形显示询问命令和读取波形峰峰值命令，然后将不同频率点的波形在控制 机界面中显示，并且将读取的峰峰值存入测试报表中，完成整个测试任务。 5 基fd d s 函数发生器的自动测试系统的研究 3 可程控d d s 函数发生器的硬件设计 3 1 硬件设计方案 3 1 1d d s 函数发生器的设计方案 函数发生器作为一种基本电子设备在教学、科研、工业等领域都有着广泛的应用， 传统的函数发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片机专用集成芯片，但是频率不 高，稳定性较差，并且不方便调试。d d s ( 直接数字频率合成) 技术的出现使函数发生 器有了飞跃发展。 d d s 函数发生器的设计方案【5 】主要有以下两个方面：一方面，采用专用的d d s 芯 片进行开发设计。随着d d s 技术和大规模集成电路的不断发展，越来越多的厂商推出 不同功能的d d s 芯片，并且芯片的性能和功能也逐渐完善，基本上都是采用先进的 c m o s 工艺进行生产的。在这些厂商中，a d 公司生产的产品性价比比较高，得到了非 常广泛的应用，但是采用专用的d d s 芯片进行函数发生器的设计，在控制方式和置频 速度等方面受到了限制。另一方面，在f p g a 开发平台上结合d d s 原理进行函数发生 器的开发设计。随着可编程逻辑器件( f p g a ) 的不断发展，d d s 技术得到了越来越广 泛的应用，技术也逐渐成熟。利用f p g a 的速度高、规模大、可编程、高集成度等优势 设计d d s 函数发生器，很大程度提高了仪器设计的灵活性和稳定性，减小了仪器的体 积，降低了设计成本，用户可以很方便的根据自己的需求设计满足预定指标的产品。 本论文基于f p g a 实现了d d s 函数发生器的主体部分和双c p u 通讯接口部分的设 计，并结合a r m 处理器完成了对函数发生器的控制、显示和数据处理等功能，很大程 度提高了仪器的工作效率，并且为仪器功能的扩展提供了硬件基础。 3 1 2u s b 接口板的设计方案 通用串行总线u s b 是一种新型的通信标准，u s b 总线在p c 机内部通过p c i 总线 与p c 系统相连，外围设备通过u s b 电缆连到主机上。u s b 也是一种通信协议，支持 主系统与其外设之间的数据传送。在各种计算机外围接口不断推陈出新的今天，u s b 接 口已经成为个人计算机上最重要的接口之一。新型的智能仪器组成的自动测试系统基本 都带有u s b 接口。 目前u s b 接口的设计主要有两种方案：采用具备u s b 通信功能的单片机采用 普通单片机加专用u s b 通信：卷片。对两种方案的比较如下【6 】： 优点是：处理能力强，开发工 快，抗干扰能力强。但是内部 ；同时由于具备了u s b 接口， 与过去的开发系统有很大差别，不能兼容，需要购买新的开发系统，投资较高。 第二种方案：选用单片机和u s b 接口芯片进行设计，接口方便、可靠性高、成本 低。同时，该方案是模块化的设计，设计人员可以针对所需开发的u s b 功能设备的不 同，选择最适合的或较熟悉的单片机，系统的设计更加灵活。这种方案的开发周期比较 短、成本较低、稳定性好。由于u s b 接口芯片对通讯协议进行了转换封装，开发时不 用编写驱动程序，设计和调试比较简单。 经过从设计性能和设计成本、灵活性等方面考虑，本论文采用了第二种方案即采用 s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机和南京沁恒电子公司的c h 3 7 5 a 芯片进行u s b 接口板的设计。 3 1 3 可程控d d s 函数发生器的硬件设计 可程控d d s 函数发生器的硬件设计主要包括由a r m 处理器与f p g a 等组成的核 心板和通用接口板，以及外围显示电路等。可程控d d s 函数发生器的硬件整体框图如 图3 1 所示。以a r m 7 芯片( 采用三星公司s 3 c 4 4 b o x ) 和f p g a e p 2 c 8 为核心芯片，外 加高速d a ( d a c 9 0 8 ) 、电流反馈放大器和滤波电路组成核心板。其中a r m 处理器外加 图3 1可程控d d s 函数发生器硬件整体框图 f i g 3 1 o v e r a l lb l o c kd i a g r a mo f t h ep r o g r a m m a b l ed d sf u n c t i o ng e n e r a t o r s d r a m 和f l a s h 存储设备主要完成控制、处理与显示；f p g a 内部通过采用d d s ( 直 接数字频率合成) 技术实现正弦波、方波、三角波以及锯齿波四种信号( 信号带宽为 4 0 m h z ) 输出。f p g a 内部还设计了双c p u 通讯模块。接口板主要由南京沁恒电子公司 基于d d s 函数发生器的自动测试系统的研究 的u s b 接口芯片c h 3 7 5 a 和单片机s t c 8 9 c 5 1 6 l + 组成，接口程序内部设计有s c p i 解析模块，接收控制机发送的s c p i 程控命令，解析后送往核心板实现波形输出。l c d 主要是配合调试，显示波形等，可以很直观的发现并解决调试过程中遇到的问题。 3 2 处理器模块电路设计 3 2 1a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 介绍 s 3 c 4 4 b o x t 7 j 是由三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器。s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是 a r m 公司设计的a r m 7 t d m ic p u 内核，它的主频可以达到6 6 m h z 。a r m 7 t d m i 体 系内部集成了t h u m b 代码压缩器、一个片上i c e 断点调试支持和3 2 * 8 位的硬件乘法器。 s 3 c 4 4 b o x 采用了0 2 5 u r n 工艺的c m o s 标准宏单元和存储编译器，同时还采用了一种 新型的s a m b ai i 总线结构。它的功耗比较低，采用全静态设计，并且提供了全面、通 用的片上外设，很大程度上减少了系统电路设计中元器件的配置，使系统的成本得到最 小化，因此在对功耗和成本要求比较低的领域得到了广泛的应用。 s 3 c 4 4 b o x 片上集成的主要功能如下： 具有2 5 va r m 7 t d m i 内核，并且带有8 k bc a c h e ( s a m b ai i 总线体系结构， 主频最高可达6 6 眦) ： 系统管理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ； 7 1 个通用i o 口和8 通道外部中断源； 功耗控制：具有正常、低速、空闲和停止模式； 8 通道的1 0 位a d c ； l c d 控制器( 最大可支持2 5 6 色s t n ，l c d 还具有专用d m a ) ； 2 通道通用和外设d m a ，并且具有外部中断请求引脚； 带有握手协议的2 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 字节f i f o ) 和l 通道的 s i o ： 1 通道多主i i c 总线控制器； l 通道i i s 总线控制器； 5 个p w m 定时器和1 个内部定时器； 片上时钟发生器( 带有锁相环) 。 看门狗定时器； 具有日历功能的r t c ； s 3 c “b 0 x 处理器的内部结构如图3 2 所示。 图3 2s 3 c 4 4 b o x 内部结构图 f i g 3 2 i n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es 3 c 4 4 b o x ( 1 ) 系统的启动程序和地址空间分配 s 3 c 4 4 b o x 可以对8 个b a n k 进行寻址，每个b a n k 的最大空间为3 2 m b 。由于整个 核心板是以处理器为核心的，处理器外部有很多设备，为了使处理器能够对各个设备进 行正确访问，而不产生冲突，我们将不同类型的设备映射到不同的b a n k 内。 g c s 7 e 0 0 0 0 0 0 h 未用 g c s 6 ( 6 4 m bs d r a m ) 堆栈和中断欠量重构 ( c 0 0 0 0 0 0 h , - c 7 f f f f f h )c 0 0 0 0 0 0 h ( c 7 f f f 0 0 h c 7 f f f f f h ) g c s 5 l a 0 0 0 0 0 0 h 下载程序使用 g c s 4 i g c s 3 8 0 0 0 0 0 0 h l ( c 0 0 0 0 0 0 h - - c 7 f e b 0 0 h ) 6 0 0 0 0 0 0 h i o 设备空间 g c s 2 4 0 0 0 0 0 0 h ， 未用 g c s l f 2 0 0 0 0 0 0 h b l u s 代口号兰芒日j 特殊寄存器 1c 0 0 0 0 0 h ( o h - x x x x x 1 ) g c s o ( r o m )i 中断异常处理矢量表l 0 0 0 0 0 0 0 h。 图3 3 程序和数据空间分配 f i g 3 3p r o g r a ma n dd a t as p a c ea l l o c a t i o n 9 基于d d s 函数发生器的自动测试系统的研究 s 3 c 4 4 b o x 的程序和数据空间的分配如图3 3 所示。从图中可以看出程序空间f l a s h r o m 映射在b a n k 0 上( 在核心板上对应2 m b 大小的器件h y 2 9 l v l 6 0 ) ，它的内部固化 了一段b i o s 程序，实现了对系统的启动和初始化，主要包括内部存储器的参数设置、 时钟的初始化、中断矢量和堆栈地址的定义等，这些设置是保证系统正常启动运行的前 提。 s d r a m 是一种易失性并且可以快速擦写的存储器，一般最为系统中的数据空间的 使用。本核心板上的s d r a m 器件映射在s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 6 上，即0 x c 0 0 0 0 0 0 地址 处。 表3 1 中显示了本设计的设备在s 3 c 4 4 b o xb a n k 空间上的映射关系。其中f l a s h r o m 映射在b a n k 0 上，但它没有使用全部b a n k 0 的空间。b a n k 0 的高位空间地址，被 s 3 c 4 4 b o x 的内部特殊寄存器占用，b a n k 2 做为f p g a ( d d s ) 的映射空间，b a n k 6 作为 s d r a m 的映射空间。与b a n k n 对应的片选引脚n g c s n 将作为外部设备的使能脚使用。 表3 1 核心板上寻址空间的分配 t a b 3 1a d d r e s ss p a c ea l l o c a t i o na b o u tt h eb o a r d ( 2 ) s 3 c 4 4 b o x 基本电路图见附录a 。 3 2 2 静态存储器电路设计 静态存储器在嵌入式系统中起着至关重要的作用，它用于存储系统的启动代码和重 要参数。闪速存储器具有非易失性，并且可轻易擦写。由于a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 本身 不具有r o m ，所以必须外接r o m 器件来存储放电后仍需要保存的代码和数据。本设计 采用的f l a s hr o m 器件是h y 2 9 l v l 6 0 ，工作电压为3 3 v ，它的存储空间组织为：i m * 1 6 b 或2 m 幸8 b ，可以以1 6 位或8 位的数据宽度方式工作。 h y 2 9 l v l 6 0 采用标准总线接口与s 3 c 4 4 b o x 进行通信，对它的读取比较简单，只 需要通过硬件设定它的数据宽度和大d , 端模式即可。f l a s hr o m 接口电路如图3 4 所示。 1 0 h y 2 9 l v l 6 0 映射在处理器的b a n k 0 上，存放系统的启动代码，待系统上电以后完成一 系列的初始化操作。只有经过了这些初始化，系统才能正确启动并开始工作。 在对f l a s h 的硬件设计上选择的是小端模式，1 6 位的数据总线宽度。 ) r 22 4 m 】l r l2 1 i ) n r l 43 a e i r l12 u l o 幽! 匕；芏篮。ir _ 。o z u r 4 62 2 f 2 7 ：溜 d q 0 i x ) l d 0 2 d q 3 d q 4 d 0 5 d q 6 d q 7 d q s d l d 0 1 0 d q l l d q l 2 d q l 3 d q l 4 d q l 5 ，a - l - = h y 2 9 i v 1 6 0 图3 4f l a s h r o m 接口电路 f i g 3 4 i n t e r f a c ec i r c u i to f t h ef l a s hr o m 3 。2 3 动态存储器电路设计 s d r a m 是同步动态r a m ，在嵌入式系统中通常作为程序的运行空间，数据和堆 栈区。这足因为它的存取速度比较快，还具有读写的属性，写入数据前也不需要擦除。 s 3 c 4 4 b o x 芯片可以与s d r a m 进行直接接口，不需要通过编程来实现他们所需的接口 时序，只需对与存储器控制器相关的寄存器进行适当配置即可。 本设计中s d r a m 器件采用了h y u n g a u 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片，工作电压为 3 3 v ，存储空间组织方式为：1 m b * 1 6 * 4 b a n k 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 映射在处理器的b a n k 6 上， 组成8 m b 的s d r a m 空间。s d r a m 的接口电路如图3 5 所示。s d r a m 采用管道结构， 具有高速的数据传输性能，所有的输入和输出信号在时钟的上升沿触发。 力一n一一第一鳃一一乾一钳一如一记一弭一拍一的一钔一钙一的 一一一一n一一一。 o l 2 3 4 5 6 7 8 觚m舵斛筋硒觚船触m m m m m 越m m m 基于d d s 函数发生器的自动测试系统的研究 u 8 厂 盏兰墨言= 型一l d q m 墨二瑶骂= = = 3 i i 8 ：嚣震圭彗1 漱= 妊= 篆墓盔 图3 5s d r a m 的接口电路 f i g 3 5 i n t e r f a c ec i r c u i to ft h es d r a m 3 2 4 复位电路设计 系统采用的复位芯片是m a x s l l ，复位电路包括了上电复位和手动复位。当系统上 电时完成上电复位，当在系统运行时用户可以使用手动复位完成复位操作。该复位电路 是低电平有效的复位信号。当按键按下时，电路输出端r e s e t 为低电平，系统完成复 位操作。复位电路如图3 6 所示。 c 2v o c 3 3 l 、，l ax 8 ll e u 孓t 图3 6 复位电路 f i g 3 6 r o s e tc i r c u i t n r e s e r 柚m地肥斛m瞄盯髓艚删m 文 由于s 3 c 4 4 b o x 的内核电压和i o 口的工作电压不同，必须由专门的电源电路来提 供。芯片s 3 c 4 4 b o x 要求的内核a r m 7 t d m i 工作电压是2 5 v ，i o 口的工作电压是3 3 v 。 本设计的电源模块是，是由外部直流电源提供5 v 电压，将其分成两路，分别经过 l m l1 1 7 2 5 和l m l1 1 7 3 3 芯片得到2 5 v