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基于S3C2410A微控制器的嵌入式数字示波器的应用设

  是近年发展起来的一种实现数据及波形实时显示的智能终端设备。目前通用的数字示波器多采用或DSP+FPGA结构。嵌入式数字示波器可看成是一种低成本、功能相对较少、可作为一个模块使用的嵌入式智能终端。虽然DSP数据处理能力强大,运行速度较高,FPGA灵活性强,可以充分地进行设计开发和验证,便于系统升级。但是,DSP和内嵌微处理器型FPGA一般价格较高。不适合在低成本的嵌入式数字示波器开发中使用。

  ARM是面向低价位市场设计的一种RISC微处理器,其优势是性价比高,适合嵌入式数字示波器的需求。当前采用ARM芯片设计的嵌入式数字示波器主要基于ARM7内核的微控制器S3C44BOX。采用这种结构设计的嵌入式数字示波器,由于时钟频率和并行处理能力较低.因此通常用于通道数较少的设计中,无法满足对系统实时性要求较高的多通道嵌人式数字示波器的设计。本文提出了一种基于S3C2410A微控制器(ARM920T内核)和uC/OS-Ⅱ实时操作系统的设计方法,并在此基础上开发出一款低成本且具有中文菜单人机交互界面的4通道嵌入式数字示波器产品。

  根据项目需求,本项研究的主要性能指标:4通道输入,采样频率范围为2KHz~20 MHz,输入电压范围为0~±4V,频率、脉宽和幅值(满量程)精度:±0.5%,良好的人机交互界面。

  采用S3C2410A和uC/OS..-Ⅱ相结合的设计方法。输入前端采用模数(A/D)转换和FIFO缓冲存储的结构.利用FIFO在读写控制逻辑、高速数据交换方面的优势,使多路数据采集和存储同步的同时,还可改变采样频率切换量程。多路数据传输利用DMA传输方式,提高系统运行效率。输出显示端利用S3C2410A的液晶屏控制器将数字量转换成液晶屏上的点坐标来显示4通道的波形以及相关数据。采用鼠标对人机交互界面进行操作,减小了系统的体积,提高了系统的可操作性。

  根据系统的总体功能划分,可将硬件设计分为数据采集模块和显示模块2大部分。

  AD963l是一种低畸变、低噪声、高速运放。主要提高输入阻抗,减小外接阻抗变化的影响。模拟输入经AD9631处理后至AD9224,在S3C2A10A的控制下,系统产生可调频率方波接为AD9224和IDT7204的工作信号。AD9224开始对输入信号进行模数转换.同时转换输出的数字信号保存到相应的FIFO中。FIFO存满时,S3C2410A通过DMA通道将多路FIFO中的数据依次存放到SRAM中的固定地址区域。

  FIFO是一种先进先出结构,没有地址线,布线简单,因此仅用少量的系统资源就能实现数据的快速交换。两且控制简单,不会产生地址冲突。FIFO采用的是4K x 9bit的CMOS双端口存储缓冲芯片IDT7204。AD9224输出12位,而IDT7204输入9位,因此在ADC数据输出和FIFO存储接口设计上采用2片IDT7204进行字长扩展。FIFO缓冲存储实现的功能:接受写信号,存放经过转换的数字信号并依次增加地址,当FIFO存储满时,给出满信号;接受读信号,将FIFO存储的数据读出并存到SRAM中的同定地址处。

  S3C2410A内置液晶屏控制器,可以支持水平/垂直像素、数据位宽、数据传输时间和刷新频率不同的多种液晶显示屏,最大可以支持256K色TFT、4K色STN彩色液晶屏。

  液晶屏控制器主要用来传输显示信息和必要的控制信号.如VFRAME、VLINE、VCLK和VM等。除了控制信号外,还包括传输显示信息的数据接口:VD[23:0]。通过LCDCDMA来传输显示信息,LCDCDMA是一种复杂的DMA传输方式,通过使用这种特殊的DMA传输方式,可以将疑示信息从帧内存中自动传输到液晶屏驱动器,并且不通过CPU干预直接在显示屏上显示信息。

  根据系统的总体功能,可将嵌入式数字示波器的软件设计分为3个模块:uC/OS-Ⅱ的移植、数据采集和图彤形显示。

  uC/OS-Ⅱ的移植是应用程序设计的基础。通过uC/OS-Ⅱ内核的任务调度,可解决传统嵌入式软件设计中出现的编程复杂、可维护性差和系统的实时性得不到保证等问题。

  uC/OS-Ⅱ在S3C2410A上的移植,重点是uC/OS-Ⅱ的任务切换机制。任务切换通过软中断来实现,主要包含OS_TASK_SW与_OSStartHighRdy 2个函数。OS_TASK_SW总是在任务级代码中被调用。当操作系统作任务切换时,调用任务切换函数OS_TASK_SW,获取中断向量号并跳转到相应的服务程序OSIntCtxSw。该函数前半部分是切换前任务的参数压栈,后部分是即将运行的任务恢复.表现为参数出栈。后半部分有一个单独的标号OSIntCtxSw_1,在汇编下霹构成了2个嵌套函数OSIntCtxSw和OSIntCtxSw_1。其中OSIntCtxSw包含了OSIntCtxSw_1,OSIntCtxSw_1的主要功能是任务的恢复运行。

  数据采集模块是嵌入式数字示波嚣的重要组成部分,模块功能的具体实现主要依靠采样和数据传输任务。

  系统工作过程中.由于输入信号的频率不固定.要求随时可以通过人机交互界面来调节系统显示参数。显示合适的周期数以便对波形避行观察分析。采样任务的主要功能就是显示参数的变化来调节ADC的采样频率和FIFO的数据存储频率,并控制ADC工作/停止状态和FIFO存储芯片的写状态,使ADC和FIFO的工作时序相协调。

  在S3C2410A的控制下4路ADC同时开始工作,当4组FIFO全满时,可产生一个存储全满信号量。数据传输任务的主要功能就是在接收到存储全满信号量后,通过DMA通道依次将4组FIFO中的数据转存到SRAM中。S3C2410A提供了2种DMA数据传输方式:单数据传输和4数据长的突发传输。根据系统的硬件电路设计我们选择单数据传输方式。利用DMA传输方式可以不通过CPU中断来实现数据的传输,在数据传输过程中解放了CPU,使CPU 可以工作在多任务环境下,从而提高整个系统的性能。

  图形显示分为2个工作页面,分别由2个任务来控制:波形照示和输入输出显示任务。

  页面1为波形显示页面,主要用于显示4通道输入波形和相关信息,如:周期、脉宽、最大幅值等。通过鼠标对系统静显示参数进行修改,如:水平时间分辨率和垂直电压分辨率等,可方便地对波形进行放大/缩小,左右移动,上下移动,便于对波形观察、对比和分析。

  页面2为输入输出显示页面。当切换到输入输出显示页面时,输入输出显示任务开始对16路输入口进行高低电平的检测,该任务通常处于挂起状态,切换到输入输出显示页面时才开始运行,切换到波形显示页面时立即挂起。

  每个页面为一个窗体,窗体又分为2个部分:静态和动态。静态部分是固定的,在显示波形的时候,该部分没有变化,也不受其它影响;动态部分是图形按钮以及那些随着按钮变化的部分。将窗体分为2个部分可以减少显示代码的重复读入,提高显示效率。

  测试部分包括波形和功能测试。部分实测数据如表1(幅值误差为满量程误差)所示。

  波形测试是在50Hz~100KHz的频率范围内先选取固定的频率点,利用信号发生器产生输入信号,在显示屏上观察波形并记录相关数据。

  功能测试是对各种图形按钮:动/静态、通道选择、显示/隐藏、放大/缩小,、左/右移动、上/下移动、左/右移动步进距离进行单操作和多种复合操作,观察功能是否能实现。

  通过测试得出如下结论:该嵌入式数字示波器支持4通道输入,采样频率范围:2KHz~20 MHz,输入电压范嗣:0~+4V.测量显示的信号频率、脉宽和幅值精度:±0.5%。整机具有良好的人机交互界面,操作方便、功能比较丰富。既可对单通道的波形进行观察分析,也可对4通道的波形进行对比分析。

  本文作者创新点:采用ARM920T核微控制器S3C2410A作为嵌入式数字示波器的主控芯片,并利用FIFO作为缓冲存储器可支持多通道的波形显示;采用鼠标操作界面代替传统操

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