简易数字示波器设计

电信专业综合实践设计题目：在LPC2210 开发板的基础上-简易数字示波器设计学校： 班级： 姓名： 学号： 指导老师：201111目 录第1章 设计内容与要求11.1设计内容11.2设计要求11.3系统功能11.4应用分析1第2章 系统总体设计32.1总体框图32.2总体设计分析3第3章 硬件结构73.15V电源电路73.2系统电源电路83.3复位电路103.4JTAG接口电路113.5系统存储器电路113.6TFT液晶接口电路123.7串口接口电路133.8ADC电路143.9按键控制电路153.10主芯片电路14第4章 软件分析144.1软件框图分析144.2任务的划分154.3任务的优先级设计154.4液晶初始化设计164.5定时器设计164.6AD转换设计164.7数据处理174.8触发设计174.9周期设计174.10求最值设计184.11主函数与调用的TASK设计18拓展部分19参考文献20第一章 设计内容与要求1. 1 设计内容： 在LPC2210 开发板的基础上设计一简易数字示波器。1. 2 设计要求： 数字示波器的硬件系统的电路原理图设计 数字示波器的图形界面设计 数字示波器的信号触发、矢量显示、轨迹消隐实现 被测信号的周期、最大/最小值实现1. 3 系统功能： 以LPC2210开发板的液晶屏模拟数字示波器的显示屏，实现被测波形的显示。 1. 4 应用分析：本设计对基于ARM（Advanced RISC Machine）的简易示波器的设计过程进行了介绍。主要对系统的硬件设计部分和软件设计部分进行了分析。硬件设计部分首先给出了系统框图，然后对各个组成模块进行了介绍。并给出了各模块所使用的主要元器件。包括电源部分、放大部分、控制部分、键盘功能及芯片的采集和显示部分。软件设计部分编写了使能部分、AD转换、显示部分、数值计算部分。 第二章 系统的总体设计2. 1 总体框图输入信号放大电路（模拟通道）采样和量化 ADCLCDARM KEY1 2-1 系统框图2. 2 总体设计分析本设计如果选择的是DSP，设计中用到芯片就会增多，而且因为DSP造价高于ARM并且小信号的采集如果应用DSP放大芯片有很多限制，不易选取。而应用ARM则减少了这方面的问题。在嵌入式处理器设计领域，RISC1已经成为处理器结构设计的必然选择。嵌入式微处理器嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。并且该系统是以提高对象体系智能性、控制力和人机交互能力为目的，通过相互作用和内在指标评定的，嵌入到对象体系中的专用计算机系统。而嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，是决定嵌入式系统功能强弱的主要因素，也决定了嵌入式系统的应用范围和开发复杂度。本设计需要解决的问题包括硬件部分和软件部分。硬件部分的设计主要是芯片选择，控件的选择，放大倍数的控制，衰减倍数 的选择。软件部分的设计主要是驱动程序的编译，主函数主要功能的实现，按键控制的选择。第三章 硬件结构3. 1 5V电源电路LPC2200系列ARM7微控制器均要使用两组电（LPC213x,LPC214x除外），I/O口供电电源为3.3V，内核及芯片外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。首先有CZ1电源接口输入9V直流电源，二极管D1防止电源反接，经过C42,C44滤波，然后通过LM2575将电源稳压5V，再使用LDO芯片（低压差芯片）稳压输出3.3V及1.8V电压。如图所示（1-1），所设计的5V电源电路的稳压芯片使用的是LM2575开关电源芯片。 图3-1 （5V电源电路）3. 2 系统电源电路系统电源电路如图1-2所示，LDO芯片分别采用SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。犹豫LPC2200系列ARM7微控制器具有独立的模拟电源和模拟地引脚，为了降低噪声和出错几率，模拟电源与数字电源应该隔离。这里使用10uH的电感L2L4实现电源隔离（将高频噪声隔离），并且在设计PCB板时采用大面积敷地，以降低噪声。 图3-2（系统电路）3. 3 复位电路由于ARM芯片的告诉、低功耗和的工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。如图1-3所示。 图3-3（系统复位电路）3. 4 JTAG接口电路采用RAM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义以及与LPC2210的连接如图1-4所示。图中，JTAG接口上的信号nTRST连接到LPC2210芯片的TRST引脚，以达到控制LPC2210内部JTAG接口电路复位的目的（但不控制CPU复位）。 图3-4（JTAG接口电路）3. 5 系统存储器电路SartARM2200j教学实验开发平台上扩展了2MB NOR FLASH（型号为SST39VF160）和8MB PSRAM（芯片型号为MT45W4MW16），电路如图1-5。为了方便程序调试及最终代码的固化应用，使用LPC2210外部存储接口的BANK0和BANK1地址空间，并且可以通过JP10跳线将片选信号CS0和CS1分别分配给SRAM或FLASH。在使用JTAG调试程序时，分配SPRAM为BANK0地址，因为BANK0可以进行异常向量表的重新映射操作。当最终代码固化到FLASH时，分配FLASH为BANK0地址，SRAM为BANK1地址。这是因为BANK0可以用来引导程序运行。若使用BANK0引导程序运行，将JP9短接到OUTSIDE端，使系统复位时BOOT1和BOOT0引脚的电平为0b01（即二进制值01）. 图3-5（系统存储器电路）3 . 6 TFT液晶接口电路SmartARM2200教学实验开发平台标配有2.2英寸液晶屏-TF6758液晶模块，其电路原理如图1-6所示。TFT6758液晶模块的工作电压为3.3V，内带白光LED背光灯，可以直接使用8位、16位或18位总线方式与控制器连接（因为液晶模块内部包含了HD66781和HD66783液晶控制驱动器）。为了得到更搞的数据传输速率，设计电路时采用16位总线接口，按照HD66781芯片说明，需要IM3和IM0引脚0电平，16位数据分别为DB17DB10和DB8DB1引脚，为使用的DB0和DB9引脚应接地，电路连接如图1-6所示。因为不使用DMA传输功能，所以将DACK引脚接为高电平。图3-6 （TFT6758液晶模块应用电路）3. 7 串口接口电路由于系统电源是3.3V，所以应使用SP3232E进行RS232电平转换，SP3232E是3V工作电源的RS232转换芯片。如图1-7所示图3-7 （串口接口电路）3. 8 ADC电路PC2114/2124/2119/2129/2194具有4路10位ADC转换器，LPC2210/2212/2214/2290/2292/2294具有8路10位ADC转换器，其参考电压为3.3V（由V3a引脚提供），参考电压的精度会影响ADC的转换结果。SmartARM2200教学实验开发平台提供了两路滞留电压测量电路如图1-8所示，可调电阻W1和W2用于调整ADC的输出电压，可以在VINI和VIN2测试点上用万用表检查当前电压值。R36和R37为I/O口保护电阻，当ADC输入电压调整到3.3V或0V时，而P0.27或P0.28作为GPIO输出0或1，此刻，这两个电阻保证电路不产生短路故障。 图3-8 （ADC电路）3. 9 按键控制电路按键：在SmartARM2200教学实验平台上使用P0.20扩展一个独立按键KEY1，当需要使用此按键时，应将JP2跳线短接。当断开JP2跳线时，P0.20可以通过J5连接器（GPIO输出接口）与用户板连接使用。图3-9 （按键控制电路）3. 10 主芯片电路 LPC2210是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并带有0/128/256KB嵌入的高速片内Flash存储器，片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。由于LPC2210具有较小的64个144脚封装，极低的功耗，多个32位定时器，4路10位ADC或8路10位ADC（64脚和144脚封装）以及多达9个外部中断。 图3-10 （主芯片电路）第四章 软件分析4. 1 软件框图分析 初始化 底层驱动 脉宽信号 发射 求最大 最小值 波形显示 数据处理 数据采集 4. 2 任务的划分对一个嵌入式应用系统进行“任务划分”，是实时操作系统应用软件设计的关键，任务划分是否合理将直接影响软件设计的质量。任务划分原则如下: 以CPU为中心，将与各种输入/输出设备（或端口）相关的功能分别划分为独立的任务。 发现“关键”功能，将其最“关键”部分“剥离”出来，用一个独立任务（或ISR）完成，剩余部分用另一个任务实现，两者之间通过通信机制沟通。 发现“紧迫”功能，将其最“紧迫”部分“剥离”出来，用一个独立的高优先级任务（或ISR）完成，剩余部分用另一个任务实现，两者之间通过通信机制沟通。 对于既“关键”又“紧迫”的功能，按“紧迫”功能处理。 将消耗机时较多的数据处理功能划分出来，封装为低优先级任务。 将关系密切的若干功能组合成为一个任务，达到功能聚合的效果。 将由相同事件触发的若干功能组合成为一个任务，从而免除事件分发机制。 将运行周期相同的功能组合成为一个任务，从而免除时间事件分发机制。 将若干按固定顺序执行的功能组合成为一个任务，从而免除同步接力通信的麻烦。4. 3 任务的优先级设计为不同任务安排不同的优先级，其最终目标是使系统的实时性指标能够得到满足。在实际的产品开发中，应该在项目开始时，仔细思考和推敲。如果任务优先级的设定有误，对以后的开发和调试会带来极大的困扰，会让工程师花很长时间来查错误，而且出现的错误不好排除。所以设计任务的优先级是很重要的。本次实验一共建立了五个任务，其优先级如下： OSTaskCreate (Task0,(void *)0, &Task0Stk128 - 1, 2);/创建Task0任务，优先级为2OSTaskCreate (Task1,(void *)0, &Task1Stk128 - 1, 3);/创建Task1任务，优先级为3OSTaskCreate (Task2,(void *)0, &Task2Stk128 - 1, 4);/创建Task2任务，优先级为4OSTaskCreate (Task3,(void *)0, &Task3Stk128 - 1, 5); /创建Task3任务，优先级为5OSTaskCreate (Task4,(void *)0, &Task4Stk128 - 1, 6);/创建Task4任务，优先级为64. 4 液晶显示初始化设计 GUI_PrtPic(0, 0, 239, 319, gImage_root01);/ 示波器面板（背景）图显示 GUI_Line(224, 268, 224, 315, 0xffff);/Running至Off间6根短白线 GUI_Line(184, 268, 184, 315, 0xffff); GUI_Line(144, 268, 144, 315, 0xffff); GUI_Line(104, 268, 104, 315, 0xffff); GUI_Line( 64, 268, 64, 315, 0xffff); GUI_Line( 24, 268, 24, 315, 0xffff); WaveTrackCnt = 0; GUI_PrtStr(208, 270, Coupling, 0xfee4, 0x0274); / Coupling和 DC 显示 GUI_PrtStr(188, 280, DC , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr(168, 273, Volt/Div, 0xfee4, 0x0274);/ Volt/Div和 0.42V 显示 GUI_PrtStr(148, 275, 0.42V , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr(128, 270, Time/Div, 0xfee4, 0x0274); / Time/Div和 60uS 显示 GUI_PrtStr(108, 275, 60uS , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 88, 274, TrigVolt, 0xfee4, 0x0274);/ TrigVolt显示 sprintf(UART0_StrBuff, %1.2fV , CH1TptVal*3.3/255); GUI_PrtStr( 68, 276, UART0_StrBuff, 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 48, 280, Invert, 0xfee4, 0x0274);/ Invert和 Off 显示 GUI_PrtStr( 28, 283, Off , 0x0000, 0xffff); 4. 5 定时器设计 PWMPR = 0x00; / 不分频，计数频率为Fpclk PWMMCR = 0x02; / 设置PWMMR0匹配时复位PWMTC PWMMR0 = CYCLE_DATA; / 设置PWM周期 PWMMR6 = DUTY_CYCLE_DATA; / 设置PWM占空比 PWMLER = 0x41; / PWMMR0、PWMMR6锁存 PWMPCR = 0x4000; / 允许PWM6输出，单边PWMPWMTCR = 0x09; / 启动定时器，PWM使能4. 6 AD转换设计ADCR = (1 7) |/ SEL = 0x80 ，选择通道7 (Fpclk / 4500000 - 1) 8) | / CLKDIV = Fpclk / 4500000 - 1 ，即转换时钟为4.5MHz (1 16) |/ BURST = 1 ，软件控制转换操作 (2 17) | / CLKS = 2 ，使用9clock转换, 8位精度 (1 21) | / PDN = 1 ， 正常工作模式(非掉电转换模式) (0 22) | / TEST1:0 = 00 ，正常工作模式(非测试模式) (1 24) | / START = 1 ，直接启动ADC转换 (1 27);/ EDGE = 0 (CAP/MAT引脚下降沿触发ADC转换) dat = ADDR; / 读取ADC结果，并清除DONE标志位4. 7 数据处理void OSC_PCM(void)/ 2048个数据采集，每个数据为8位 uint32 i, dat; for(i=0; i8) & 0xFF; / 提取AD转换值 4. 8 触发设计uint8 OSC_LockTrigerPoint(void)/ 触发点锁定 uint32 i; uint32 Avg0, Avg1; CH1Tpt1 = 0; for(i=250; i 2; / 对采样值滤波 Avg1 = (CH1i+7+CH1i+6+CH1i+5+CH1i+4) 2; / 对采样值滤波 if( (Avg1 - Avg0)0 ) / 比较2个采样点，判断是否为上升沿 CH1TptVal = 80;/ 触发点电压为：3.3*80/255=1.04V if(Avg1CH1TptVal) & (Avg0 240) / 已经锁定触发点，可以寻找周期 for(i=CH1Tpt1+8; i 2; Avg1 = (CH1i+7+CH1i+6+CH1i+5+CH1i+4) 2; if( (Avg1 - Avg0)0 ) /CH1TptVal = 128; if(Avg1CH1TptVal) & (Avg0CH1TptVal) / 是否为触发点 CH1Tpt2 = i; i = 0xffff; i+; if(i = 1250) CH1Tpt2 = 250; / 给定一个初始值用于显示 return(0); else CH1Fre = 422880/(CH1Tpt2-CH1Tpt1); return(1); 4. 10 求最值设计void OSC_CH1MaxMin(void)/求（寻找）最大值和最小值 uint32 i; uint32 Max, Min; Max = CH1CH1Tpt1-125; Min = CH1CH1Tpt1-125; for(i=CH1Tpt1-125; iMax) Max = CH1i; if(CH1iMin) Min = CH1i; CH1Max = Max; CH1Min = Min;4. 11 主函数与调用的TASK设计#include config.h#include stdlib.hOS_STKTask0Stk 128;/ Define the Task0 stack 定义用户任务0的堆栈OS_STKTask1Stk 128;/ Define the Task1 stack 定义用户任务1的堆栈OS_STKTask2Stk 128;/ Define the Task2 stack 定义用户任务2的堆栈OS_STKTask3Stk 128;/ Define the Task3 stack 定义用户任务3的堆栈OS_STKTask4Stk 128;/ Define the Task4 stack 定义用户任务4的堆栈void Task0(void *pdata);/ Task0 任务0void Task1(void *pdata);/ Task1 任务1void Task2(void *pdata);/ Task2 任务2void Task3(void *pdata);/ Task3 任务3void Task4(void *pdata);/ Task4 任务4int main (void)OSInit();/操作系统初始化OSTaskCreate (Task0,(void *)0, &Task0Stk128 - 1, 2);/创建Task0任务，优先级为2OSTaskCreate (Task1,(void *)0, &Task1Stk128 - 1, 3);/创建Task1任务，优先级为3OSTaskCreate (Task2,(void *)0, &Task2Stk128 - 1, 4);/创建Task2任务，优先级为4OSTaskCreate (Task3,(void *)0, &Task3Stk128 - 1, 5); /创建Task3任务，优先级为5OSTaskCreate (Task4,(void *)0, &Task4Stk128 - 1, 6);/创建Task4任务，优先级为6OSStart();/启动操作系统return 0;Task0 任务0 /采样1600个数据， 锁定触发点 void Task0(void *pdata) uint32 i;pdata = pdata;/防止编译警告，以下同TargetInit ();/初始化目标板while (1) OS_ENTER_CRITICAL();/进入临界区 for(i=0;i8)&0xFF; /提取AD转换值（8位） OS_EXIT_CRITICAL();/退出临界区 OSC_LockTrigerPoint();/锁定触发点 OSC_FindPeriod();/求频率 OSC_CH1MaxMin();/求最大、最小值 GUI_ClrTrack();/清除旧轨迹（前一次波形） GUI_DispTrack();/显示新轨迹（当前波形）OSTimeDly(50);/延时 Task1 任务1 /调用函数：sprintf，GUI_PrtStr，OSTimeDlyvoid Task1(void *pdata) pdata = pdata; while (1) sprintf(UART0_StrBuff, CH1max = %1.2fV, CH1Max*3.3/256);/显示通道1最大值（1位正数、2位小数） GUI_PrtStr(5, 10, UART0_StrBuff, 0xfee4, 0x0274);/坐标位置5、10，前景黄色，背景蓝色 sprintf(UART0_StrBuff, CH1min = %1.2fV, CH1Min*3.3/256);/显示通道1最小值（1位正数、2位小数） GUI_PrtStr(5, 110, UART0_StrBuff, 0xfee4, 0x0274); sprintf(UART0_StrBuff, CH1Fre = %6d Hz, CH1Fre); /显示通道1频率（6位正数） GUI_PrtStr(5, 210, UART0_StrBuff, 0xfee4, 0x0274); OSTimeDly(100);/延时 Task2 任务2void Task2(void *pdata) pdata = pdata; while (1) GUI_PrtStr(208, 270, Coupling, 0xfee4, 0x0274); /直流耦合 GUI_PrtStr(188, 280, DC , 0x0000, 0xffff);/前景黑色，背景白色 GUI_PrtStr(168, 273, Volt/Div, 0xfee4, 0x0274);/Y轴；0.42V/格 GUI_PrtStr(148, 275, 0.42V , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr(128, 270, Time/Div, 0xfee4, 0x0274);/X轴；60uS/格 GUI_PrtStr(108, 275, 60uS , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 88, 274, TrigVolt, 0xfee4, 0x0274);/触发电平显示 sprintf(UART0_StrBuff, %1.2fV , CH1TptVal*3.3/255); GUI_PrtStr( 68, 276, UART0_StrBuff, 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 48, 280, Invert, 0xfee4, 0x0274);/反向显示关 GUI_PrtStr( 28, 283, Off , 0x0000, 0xffff); OSTimeDly(2000); Task3 任务3 /CH1Tpt1：通道1符合触发条件对应的第一个采样序号，CH1Tpt2：通道1符合触发条件对应的第二个采样序号void Task3(void *pdata) pdata = pdata; while (1) sprintf(UART0_StrBuff, CH1Tpt1 = %6dnr, CH1Tpt1); UART0_SendStr(UART0_StrBuff);/通过串口0，发送CH1Tpt1 sprintf(UART0_StrBuff, CH1Tpt2 = %6dnr, CH1Tpt2); UART0_SendStr(UART0_StrBuff);/通过串口0，发送CH1Tpt2 GUI_PrtStr(226, 268, Running , 0xfee4, 0x0274); /交替显示Running OSTimeDly(200); GUI_PrtStr(226, 268, Running , 0xfee4, 0xa000); OSTimeDly(200); Task4 任务4 /按键控制 void Task4(void *pdata) uint32 pwm;pdata = pdata; while(1) /* 自检信号，可以调节PWM占空比*/ if(IO0PIN&KEY)=0) OSTimeDly(20); if( (IO0PIN&KEY) = 0 ) pwm+; while( (IO0PIN&KEY) = 0 ); if(pwm = 5) pwm = 1; PWMMR6 = DUTY_CYCLE_DATA*pwm;/ 设置PWM占空比 PWMLER = 0x41; / PWMMR0、PWMMR6锁存 PWMTCR = 0x09; / 启动定时器，PWM使能 拓展知识Agilent 1000 系列便携式示波器23 种自动测量所有