摘要 摘要 基于嵌入式l i n u x 的2 0 0 m h z 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 碩士研究生嚴(yán)吉國導(dǎo)師趙力教授 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 示波器是最常用的電子測量儀器之一，在生產(chǎn)、科研、國防等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器更是以其特有的優(yōu)勢，正在逐漸取代模擬示波器而被廣泛使用于各個(gè)測試領(lǐng)域。 目前，國外的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且它們的產(chǎn)品占領(lǐng)了絕大部分的國內(nèi)市 場份額。而國內(nèi)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的研制尚處于起步階段，因此自主研制數(shù)字存儲(chǔ)示波器成為 必要。 本課題是研制帶寬為2 0 0 m h z 的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。本文根據(jù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理，結(jié)合 本課題數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提出硬件采取高速a d + f p g a + a r m 9 ，軟件采用嵌 入式l i n u x 操作系統(tǒng)的技術(shù)方案。本系統(tǒng)采用s a m s u n g 公司的a r m 9 微處理器$ 3 c 2 4 1 0 作為控 制核心，其強(qiáng)大的控制性能和靈活的接口技術(shù)可以大大簡化系統(tǒng)的控制和編程。采用n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 公司的最高采樣率為每秒1 g 采樣點(diǎn)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)化器a d c 0 8 d 5 0 0 和x i l i n x 公 司的性價(jià)比較高的f p g a 芯片x c 3 s 5 0 0 e ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集和存儲(chǔ)。利用嵌入式l i n u x 操 作系統(tǒng)支持各種設(shè)備的特點(diǎn)，充分利用了系統(tǒng)的片上資源，方便實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和軟 硬件升級(jí)和移植。 本文首先闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和軟硬件整體設(shè)計(jì)。然后重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)處理模塊、鍵處 理模塊和顯示處理模塊的相關(guān)原理和軟件設(shè)計(jì)思想。數(shù)據(jù)處理模塊重點(diǎn)討論并實(shí)現(xiàn)了插值算法、 幅度類參數(shù)測量、時(shí)間類參數(shù)測量、n 呵等。鍵處理模塊和顯示處理模塊完成了人機(jī)交互的功 能。鍵處理模塊主要研究了鍵盤和旋鈕的原理、鍵掃描與接收和本數(shù)字示波器的鍵功能的編程。 顯示處理模塊重點(diǎn)研究了l c d 的原理、l i n u x 下l c d 驅(qū)動(dòng)和基于q t e m b e d d e d 的數(shù)字存儲(chǔ)示 波器的圖形用戶界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。最后，本文給出了本系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。 關(guān)鍵詞：數(shù)字存儲(chǔ)示波器；嵌入式l i n u x ；插值；參數(shù)測量；f f r ；圖形用戶界面；q t e m b e d d e d a b s t r a c t a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f2 0 0 m h zd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p eb a s e do ne m b e d d e dl i n u x c a n d i d a t e ：y a nj i g u o ，s u p e r v i s o r ：z h a ol i s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a o s c i l l o s c o p ei sak i n do fi n s t r u m e n tw h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nm o d e m e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t s i ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sp r o d u c t i o n s c i e n t i f i cr e s e a r c h n a t i o n a ld e f e n c ea n ds oo n d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s 0 ) h a s b e i n gs u b s t i t u t i n ga n a l o go s c i l l o s c o p eg r a d u a l l y b e c a u s eo fi t s p r o p e r c h a r a c t e r i s t i c s n o wt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei sm o r ea d v a n c e d o v e r s e a s ，a n df o r e i g np r o d u c t so c c u p ym o s to ft h ed o m e s t i cm a r k e ts h a r e h o w e v e r , r do fd s oi si m m a t u r ei nd o m e s t i c s oi ti si n d i s p e n s a b l et od e v e l o pd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p ei n d e p e n d e n t l y t l l l i sp r o i e c ti sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ew i t h 2 0 0 m h zb a n d w i d t h t h es c h e m eo fh i g h s p e e da d + a r m 9 + f p g ai nh a r d w a r ea n d e m b e d d e dl i n u xa st h eo p e r a t i n gs y s t e mi ns o f t w a r ei sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fd s 0a n dr e q u i r e m e n td e t a i l so ft h ep r o j e c t t h em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 2 4 1 0 w i t ha r m 9c o r ep r o d u c e db ys a m s u n gc o r p o r a t i o ni sc h o s ea sc o n t r o lc o r e t h e a r mm i c r o p r o c e s s o rm a k e st h ec o n t r o ls i m p l ea sw e l la st h ep r o g r a m m i n gb e c a u s e o fi t ss t r o n gc o n t r o la b i l i t ya n df l e x i b l ec o n n e c t o r s a d c 0 8 d 5 0 0o fn a t i o n a l s e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o na n dc o s t e f f e c t i v ef p g ac h i px c 3 s 5 0 0 eo fx i l i n x c o r p o r a t i o na r ec h o s et oa c h i e v et h ef u n c t i o no ff a s ta c q u i s i t i o na n ds t o r a g e b e c a u s e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ms u p p o r t sav a r i e t yo fe q u i p m e n t ，i tm a k e sf u l lu s e o ft h e s y s t e mo n - c h i p r e s o u r c e sa n df a c i l i t a t e s u p g r a d e s e x p a n s i o n a n d t r a n s p l a n t a t i o no ft h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i r s t t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ed e s c r i b e d t h e nt h ed a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ek e yp r o c e s s i n g m o d u l ea n dd i s p l a yp r o c e s s i n gm o d u l ea r ed i s c u s s e d d a t a p r o c e s s i n gm o d u l ef o c u s e s o nt h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，r a n g e t y p ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ， t i m e - t y p ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，f 盯a n ds oo n k e yp r o c e s s i n gm o d u l ea n dd i s p l a y p r o c e s s i n gm o d u l ea c t u a l i z ei n t e r c o m m u n i o nb e t w e e nm a c h i n ea n dp e o p l e k e y p r o c e s s i n gm o d u l ed i s c u s s e sp r i n c i p l e so ft h ek n o ba n dk e y b o a r d ，k e ys c a n n i n ga n d r e c e i v i n ga n dp r o g r a m m i n gk e yf u n c t i o n so ft h ed s o d i s p l a yp r o c e s s i n gm o d u l e f o c u s e so np r i n c i p l eo fl c d l c dd r i v e ra n dd e s i g na n dr e a l i z a t i o ng u io ft h ed s o w i t hq t e m b e d d e d f i n a l l y , t h i sp a p e r p r e s e n t st h ed e b u g g i n gr e s u l t so f t h es y s t e m k e yw o r d s ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) ；e m b e d d e dl i n u x ；i n t e r p o l a t i o n ； p a r a m e t e rm e a s u r e ；f f r ：g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) ；q t e m b e d d e d i l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研 究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工 作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 期： 圣! ! 皇：! 蘭：蘭壘 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件 和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文 的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生簽名：翌魚旦導(dǎo)師簽名：日期：墮? ，? 6 第一章緒論 第一章緒論 1 1 示波器概述 測量是揭示客觀規(guī)律，用數(shù)字語言描述周圍的世界，進(jìn)而改造世界的重要手段i l l 。人類在認(rèn)識(shí)自 然和改造自然的過程中，必定要進(jìn)行測量活動(dòng)。電子測量，從廣義上來說是利用電子技術(shù)進(jìn)行的測量。 電子測量儀器則是采用電子技術(shù)測量電量或者非電量的測量儀器。它是電子工業(yè)的基礎(chǔ)和先行，近年 來發(fā)展極為迅速，已成為一門獨(dú)立的學(xué)科?？梢哉f，一個(gè)國家的電子測量技術(shù)水平，在一定程度上反 映了該國的電子技術(shù)水平弘1 。 作為時(shí)域測量的經(jīng)典儀器，示波器是電子行業(yè)工程師最為熟悉的工具，它是一種可以用來觀察、 測量、記錄各種瞬時(shí)物理現(xiàn)象，并以波形方式顯示其與時(shí)間關(guān)系的電子儀器，它能夠直觀的顯示被測 信號(hào)的時(shí)域信息【引。傳統(tǒng)的模擬示波器仍然在電子行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域扮演著重要的角色，模擬示波器通 常由垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和顯示電路等部分組成。但是它本身存在一些無法克服的缺陷，例 如信號(hào)帶寬頻率受到陰極射線管的限制而不可能太高；不能存儲(chǔ)被測波形；無法觀測瞬時(shí)或單次信號(hào)； 預(yù)觸發(fā)功能難以實(shí)現(xiàn)等等，難以滿足需要。為了將各種信號(hào)無失真地顯示并存儲(chǔ)，就必須采用數(shù)字技 術(shù)，這也是數(shù)字示波器的基本思想。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信號(hào)的捕捉、測量和研究越來越受到人們的關(guān)注和重視，在信息領(lǐng)域、 高速計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)通信和高速數(shù)字集成電路及其系統(tǒng)內(nèi)，面臨著硬件、軟件以及由軟硬件共同作 用而產(chǎn)生的偶發(fā)性故障，迫切需要更高速的數(shù)字存儲(chǔ)示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，d s o ) 才 能得心應(yīng)手的解決這些難題。數(shù)字存儲(chǔ)示波器整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)全部由微處理器在相應(yīng)的軟件支持下自 動(dòng)進(jìn)行，包括自動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)測量、自動(dòng)校正、波形存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)l o 和打印輸出等一系列優(yōu)點(diǎn)。它 的出現(xiàn)和發(fā)展根本改變了以往示波器的格局，促進(jìn)了示波器的發(fā)展。此外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器是數(shù)據(jù)采 集、顯示與微機(jī)管理緊密結(jié)合的產(chǎn)物，數(shù)據(jù)采集采用不同的方法獲得信息數(shù)據(jù)，這便構(gòu)成了與模擬示 波器不同的特征，獲得信息數(shù)據(jù)的方法是對輸入高頻信號(hào)取樣，從此意義上講，所有數(shù)字存儲(chǔ)示波器 可稱為取樣示波器( 但取樣示波器并非全是數(shù)字存儲(chǔ)示波器) 。所有這些，為數(shù)字存儲(chǔ)示波器的快速 發(fā)展提供了更為廣闊的市場。 自從1 9 9 8 年t e k t r o n i x 公司推出數(shù)字熒光示波器( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ，d p o ) 以來，其 取得了長足的發(fā)展。數(shù)字熒光示波器是將電信號(hào)數(shù)字化，并且以三維數(shù)據(jù)( 信號(hào)的幅度、時(shí)間以及幅 度相對于時(shí)間的分布) 實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)、分析和顯示波形的儀器。數(shù)字熒光示波器被稱為第三代示波器， 它具有d s o 的各種傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也具有模擬示波器的明暗顯示和實(shí)時(shí)特性，但價(jià)格高昂限制了 它的廣泛應(yīng)用。 當(dāng)前，數(shù)字示波器止逐漸取代模擬示波器成為主流的示波器產(chǎn)品。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、信 號(hào)分析處理技術(shù)的發(fā)展，特別是在微型計(jì)算機(jī)引入到示波器后，示波器無論在設(shè)計(jì)、性能、功能、使 用、操作還是在故障診斷上都取得了巨大的進(jìn)步。 1 2 國內(nèi)外數(shù)字示波器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，市場上的數(shù)字示波器特別是高端產(chǎn)品都是國外產(chǎn)品占主流，如t e k t r o n i x 、f l u k e 、a g i l e n t 、 l e c r o y 等。其中美國t e k t r o n i x 公司的示波器一直處于領(lǐng)先地位，被世界公認(rèn)為示波器的權(quán)威。t e k t r o n i x 以前推出的t d s 系列示波器具有顯示所有測量的有效修正，先進(jìn)的波形處理能力。近來t e k t r o n i x 公 司又推出d p 0 7 0 0 0 0 d s a 7 0 0 0 0 系列示波器，最高帶寬達(dá)2 0g h z ，在全部四條通道上提供了高達(dá) 5 0 g s s 的實(shí)時(shí)取樣速率。另外，高達(dá)2 0 0 m 樣點(diǎn)的記錄長度，支持m u l t i v i e wz o o m 功能，導(dǎo)航迅速。 同時(shí)支持p i n p o i n t 觸發(fā)技術(shù)，提供了最靈活、性能最高的觸發(fā)功能。其中d p 0 7 0 8 0 4 擁有可至3 5p s 的典型上升時(shí)間，并會(huì)為關(guān)鍵的抖動(dòng)測試提供低于4 0 0f st i l l s 的典型噪盧基底，為業(yè)界最低值。每個(gè) 通道1 0 m 的內(nèi)存，這就是說以4 0p s 單次樣點(diǎn)間隔進(jìn)行全速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)，最k 時(shí)間窗口可達(dá)4 1 東南大學(xué)碩i j 學(xué)位論文 m s ，這保證了以最高性能+ 作時(shí)，依然能得到很好的解析度。此外，其1 2 1 ”顯示屏則是業(yè)內(nèi)最大的 顯示器。 a g i l e n t 公司的高性能8 0 0 0 0 系列i n f i n i i u m 示波器的帶寬為8 g h z 1 3 g h z ，采樣頻率為單通道 2 0 g s 挑，雙通道4 0 g s a s ，存儲(chǔ)深度也達(dá)到了6 4 m ，它具有業(yè)界最低的本底噪聲、最低的抖動(dòng)測量本 底、最低的觸發(fā)抖動(dòng)、最平坦的示波器和探頭組合頻率響應(yīng)曲線等。卓越的信號(hào)完整性，可消除因?yàn)?示波器或探頭系統(tǒng)的噪聲、抖動(dòng)或頻率響應(yīng)曲線不佳而導(dǎo)致的測量精度方面的誤差，從而最大限度地 提高t 程師的設(shè)計(jì)裕量。 盡管在國際上數(shù)字示波器己經(jīng)有了較為成熟的發(fā)展，我國目前在數(shù)字示波器生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)基本上處 于起步階段。國內(nèi)示波器主要生產(chǎn)廠家有上海無線電二十一廠、西安紅華無線電廠、遼寧無線電二廠、 江蘇綠揚(yáng)集團(tuán)、北京普源精電科技有限公司等。 江蘇綠揚(yáng)電子儀器集團(tuán)有限公司是我國電子儀器行業(yè)的骨干企業(yè)，1 9 9 8 年以來，電子測量儀器 的產(chǎn)銷總量連續(xù)居全國同行第一，約占中國大陸市場銷售量的1 3 。但是他們的產(chǎn)品主要是模擬示波 器類型的產(chǎn)品。 北京普源精電科技有限公司是一家以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的企業(yè)，主要產(chǎn)品是臺(tái)式 數(shù)字存儲(chǔ)示波器和虛擬儀器系列。2 0 0 4 年2 月，該公司宣布他們自主開發(fā)的d s 5 0 0 0 系列數(shù)字存儲(chǔ)示 波器，打破了國外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，推動(dòng)了國產(chǎn)儀器的數(shù)字化發(fā)展。 近十年來，國內(nèi)數(shù)字存儲(chǔ)示波器技術(shù)研究以及發(fā)展也取得了相當(dāng)?shù)某晒?。但是我國示波器行業(yè)總 體水平還是比較落后的，國產(chǎn)示波器的智能化、數(shù)字化、集成化還是很低。 1 3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理和特點(diǎn) 通道l 輸入 通道2 輸入 外觸發(fā) 前置放 大器 圖1 - 1 雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理結(jié)構(gòu)框圖 一臺(tái)通用雙通道d s o 的原理【4 】結(jié)構(gòu)框圖如圖1 - 1 所示。由圖可見，數(shù)字存儲(chǔ)示波器在輸入電路上 與模擬示波器相似，采用垂直通道偏轉(zhuǎn)因子和電平控制信號(hào)，使信號(hào)經(jīng)過放大、衰減、耦合或加上一 定直流偏置，落入a d 轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，其后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的a d 轉(zhuǎn)換器將該輸入 信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字值并存入存儲(chǔ)器，此過程在采樣時(shí)基電路的控制下不斷地循環(huán)進(jìn)行，而這時(shí)儀 器的觸發(fā)電路不斷監(jiān)測輸入信號(hào)，看是否有觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生，一- 日觸發(fā)條件滿足，則采樣過程中斷，微 處理器通過對存儲(chǔ)器內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的處理和顯示，即可在屏幕上重現(xiàn)信號(hào)電壓與時(shí)間的關(guān)系，也就是信 2 第一章緒論 號(hào)電壓波形。 與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有許多優(yōu)點(diǎn)【5 l 【剛，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1 能夠捕獲單次信號(hào)：d s o 能夠捕捉像電源開、關(guān)這樣的單次瞬態(tài)事件和低重復(fù)率信號(hào)。 2 很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力：由于d s o 內(nèi)部使用一個(gè)微處理器，它能夠在所獲得的波形上完成幅 度和時(shí)間參數(shù)測量以及波形運(yùn)算等功能，加上選件能夠完成更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如積分、倒 數(shù)、指數(shù)、對數(shù)、平均、數(shù)字濾波、極值、f f t 等。 3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：d s o 帶有非易失性的波形存儲(chǔ)器，它們能夠提供與d s o 兼容的存儲(chǔ)卡或軟盤。 示波器也能夠容易地與許多繪圖儀和打印機(jī)相連來進(jìn)行高質(zhì)量的硬拷貝。 4 先進(jìn)的觸發(fā)功能：d s o 不僅能顯示觸發(fā)后的信號(hào)，而且能顯示出發(fā)前的信號(hào)，并且可以選 擇超前或滯后的時(shí)間。除此之外，d s o 還可以提供邊沿觸發(fā)、組合觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、延遲 觸發(fā)等多種形式，來實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能。 5 測量精度高：數(shù)字存儲(chǔ)示波器由于采用品振作高穩(wěn)定的時(shí)鐘，有很高的測時(shí)準(zhǔn)確度，采用 高分辨率a d 轉(zhuǎn)化器也使幅度測量準(zhǔn)確度大大提高。 6 多波形顯示：數(shù)字存儲(chǔ)示波器可存儲(chǔ)多個(gè)波形，并能在屏幕上顯示同一時(shí)間或不同時(shí)間發(fā)生 的波形，故可以方便的進(jìn)行分析和比較。 1 4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的技術(shù)指標(biāo)【7 非常豐富，下面僅介紹最主要的幾種。 1 最高數(shù)字化采樣率廠 采樣率，即單位時(shí)間內(nèi)對模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，它主要取決于a d 變換器的轉(zhuǎn)換速率，常 用每秒的取樣點(diǎn)s a s ( s a m p l e s e c o n d ，s p s ) 來表示。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字化采樣率根據(jù)被測信號(hào)所設(shè)定 的掃描時(shí) 司( t d i v ) 來選擇。 ， n 廣。= 2 t d i v ( 1 1 ) 其中，n 為每格取樣數(shù)。 2 帶寬 帶寬是指示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號(hào)時(shí)，屏幕上對應(yīng)基準(zhǔn)頻率的顯示幅度隨頻率變化而 下跌3 d b 時(shí)，其下限到上限頻率的范圍。這里基準(zhǔn)頻率是指示波器頻率特性平坦部分的某一指定頻率。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的帶寬分為單次帶寬和重復(fù)帶寬，這取決于它的采樣方式是重復(fù)采集還是單次采集。 對于單次信號(hào)和慢速變化的信號(hào)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用實(shí)時(shí)取樣工作方式，這時(shí)帶寬又稱為實(shí)時(shí)帶寬， 其取決于最大取樣速率和所采用的顯示恢復(fù)技術(shù)。對于一個(gè)滿刻度的正弦波來說，單次帶寬曰。計(jì)算 公式如下所示： b 。= 最大采樣速率( m h z ) k ( 1 2 ) 式中k 為一常數(shù)。用光點(diǎn)顯示時(shí)，約等于2 5 ；用矢量顯示時(shí)，約等于1 0 ：用正弦內(nèi)插顯示時(shí)， 約等于2 5 。 3 分辨率 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，屏幕上的點(diǎn)不是連續(xù)的而是“量化”的。分辨率是反映存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié) 的綜合特性，它包括垂直分辨率( 電壓分辨率) 和水平分辨率( 時(shí)間分辨率) 。垂直分辨率一般用示波器 中所采a d 轉(zhuǎn)換器量化的位數(shù)表示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容量來決定，常以屏幕每格包含多少取 樣點(diǎn)或百分?jǐn)?shù)來表示。 4 通道數(shù) 3 東南人學(xué)碩十學(xué)位論文 波形測量的輸入通道數(shù)，主要用于觀測若干個(gè)信號(hào)之間的相互關(guān)系。對丁通常的經(jīng)濟(jì)型故障查詢 應(yīng)用來說，流行的是艤通道示波器。 5 存儲(chǔ)深度 存儲(chǔ)深度義稱存儲(chǔ)容量，通常定義為數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣存儲(chǔ)器能夠連續(xù)存入樣點(diǎn)的最大字節(jié) 數(shù)。 6 量程和時(shí)基 量程義稱垂直靈敏度、垂直偏轉(zhuǎn)岡數(shù)、幅度檔位，是指示波器顯示的垂直方向每格所代表的電壓 幅度值，常以v d i v 或v c m 表示。垂直靈敏度參數(shù)表明了示波器測量最人和最小信號(hào)的能力。時(shí)基 又稱掃描速度、水平偏轉(zhuǎn)岡數(shù)、掃描時(shí)間因數(shù)，是指示波器顯示的水平方向每格所代表的時(shí)間值，常 以s d i v 或s c m 表示。時(shí)基越小，示波器拉寬高頻信號(hào)的能力越強(qiáng)。 1 5 本論文的設(shè)計(jì)任務(wù) 目前，國外的數(shù)字存儲(chǔ)示波器產(chǎn)品占領(lǐng)了絕大部分的國內(nèi)市場。而國內(nèi)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的研制 尚不成熟，因此自主研制數(shù)字存儲(chǔ)示波器成為必要。 本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1 垂直分辨率：8b i t s ； 2 帶寬：雙通道2 0 0 m h z ； 3 垂直靈敏度范圍：l m v d i v 一1 0 v d i v ( 1 - 2 5 步進(jìn)) ； 4 上升下降時(shí)間：1 8 n s ； 5 輸入阻抗：1 mq ，1 3p f ； 6 最高采樣率：1 g s a s ； 7 存儲(chǔ)深度：每通道1 0 k ； 8 時(shí)基范圍：2 n s d i v 5 0 s d i v ( 1 - 2 - 5 步進(jìn)) ； 9 通信接口：u s b ，r s 2 3 2 傳輸波形數(shù)據(jù)。 本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要功能如下： 1 自動(dòng)測量功能：可以自動(dòng)測量從測量菜單中選擇的波形參數(shù)( 最大值、最小值、峰峰值、平 均值、有效值、頻率、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間、正頻寬、負(fù)頻寬等) 。 2 光標(biāo)測量功能：用光標(biāo)測量幅度類參數(shù)和時(shí)間類參數(shù)。 ， 3 波形和設(shè)置的存儲(chǔ)調(diào)出功能：在存儲(chǔ)調(diào)出菜單下可以選擇將屏幕上顯示的波形或設(shè)置參數(shù)存 儲(chǔ)到某一內(nèi)存區(qū)域；并且可以選擇將存儲(chǔ)過的波形或設(shè)置參數(shù)回調(diào)出來。 4 自動(dòng)設(shè)置功能：對任何一種未知的信號(hào)，按示波器面板的“自動(dòng)”鍵，波形以適當(dāng)?shù)臅r(shí)基和 量程顯示在屏幕上。 5 觸發(fā)特性：有內(nèi)部外部，上升沿和下降沿觸發(fā)，觸發(fā)方式有自動(dòng)，正常和單次，具有預(yù)觸 發(fā)功能。 6 a c q u i r e 方式：有采樣，峰值檢測和平均三種捕捉方式；平均次數(shù)可選4 1 6 3 2 6 4 1 2 8 次。 7 數(shù)學(xué)運(yùn)算功能：包括通道1 和通道2 加，減，乘和f f t 功能。 8 多種語言界面：操作的界面語言可選擇中文，英文等。 為了達(dá)到這一目標(biāo)，本課題重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面展開工作： 1 示波器基本原理及相關(guān)技術(shù)的研究學(xué)習(xí) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)應(yīng)用到許多方面的理論，其中包括采樣定理、信號(hào)預(yù)處理、測頻原理、數(shù) 字信號(hào)處理、插值算法、顯示技術(shù)等。與數(shù)字存儲(chǔ)示波器相關(guān)的技術(shù)有嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、設(shè)備 驅(qū)動(dòng)和圖形用戶界面編程等。本論文的初期工作主要是閱讀大量的相關(guān)書籍，學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，對項(xiàng)目 的整體方案進(jìn)行論證，解決數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 第一章緒論 硬件設(shè)計(jì)主要包括前端信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)、顯示電路、系統(tǒng) 控制電路和可編程器件接口電路設(shè)計(jì)以及鍵盤電路等。 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件編程中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用c 語言編程，應(yīng)用程序采用l i n u x 下的c + + 編程，使用o t 進(jìn)行圖 形用戶界面( g u i ) 編程。設(shè)計(jì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的軟件整體框架，主要完成采集、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)調(diào) 理電路控制、用戶交互界面設(shè)計(jì)、插值處理程序、各種鍵功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、頻譜分析等。 4 系統(tǒng)調(diào)試 調(diào)試重點(diǎn)在信號(hào)調(diào)理電路、采集和觸發(fā)電路、各種鍵功能和l c d 顯示的刷新速度。信號(hào)調(diào)理電 路要保證在所有檔位下都能獲得a d 所需的采樣信號(hào)幅度和足夠的信號(hào)輸入帶寬；采集和觸發(fā)電路 要實(shí)現(xiàn)正延遲和負(fù)延遲觸發(fā)，自動(dòng)觸發(fā)、正常觸發(fā)和單次觸發(fā)，觸發(fā)電平控制等；各種鍵要正確實(shí)現(xiàn) 示波器的功能；為了提高l c d 顯示的刷新速度，必須優(yōu)化程序。系統(tǒng)調(diào)試最終要求完成數(shù)字存儲(chǔ)示 波器的初樣。 5 東南人學(xué)碩卜學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理，結(jié)合本課題數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，我們將本系統(tǒng)設(shè)計(jì) 成由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：信號(hào)調(diào)理模塊、觸發(fā)控制模塊、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)控制模塊、 鍵盤與顯示模塊、電源模塊等。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 - 1 所示。 外 圖2 - 1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 各部分的功能描述如下： 1 信號(hào)調(diào)理模塊包括放大、衰減、通道耦合、觸發(fā)耦合等。其中，放大、衰減是為了使輸入 信號(hào)的電平范圍調(diào)節(jié)到3 0 0 m v 的a d c 滿量程范圍內(nèi)，以便能夠適合a d c 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作范圍； 通道耦合、觸發(fā)耦合是控制信號(hào)通路是否允許有直流成分的存在。 2 觸發(fā)控制模塊由外部的高速模擬比較器和d a 組成，由a r m 控制d a 產(chǎn)生預(yù)置比較信號(hào)， 與用戶選定的觸發(fā)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)送入f p g a 內(nèi)，形成觸發(fā)。 3 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊主要器件為高速a d c 和f p g a 。a d c 負(fù)責(zé)將調(diào)理過的信號(hào)采集下來， f p g a 根據(jù)觸發(fā)信號(hào)對采集下來的波形值進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，并將存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)傳輸給a r m 主控模 塊進(jìn)行后續(xù)的處理和顯示工作?？紤]到系統(tǒng)對采樣速率的高要求，我們采用了并行采樣技術(shù)，利用 兩個(gè)5 0 0 m 的a d c 分別在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿采樣來實(shí)現(xiàn)最高1 g s p s 的采樣速率。這樣不 但可以降低數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)率以便后端的處理，也減少了系統(tǒng)成本。 4 系統(tǒng)控制模塊由a r m 完成對系統(tǒng)其它模塊的控制，并接收f p g a 傳輸來的波形數(shù)據(jù)，根 據(jù)鍵盤和旋鈕的動(dòng)作控制波形和菜單進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示與更新。它還完成系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。 5 鍵盤與顯示模塊主要完成系統(tǒng)的人機(jī)交互工作以及波形和菜單的實(shí)時(shí)顯示和更新。本系統(tǒng) 采片3 一個(gè)單片機(jī)單獨(dú)管理鍵盤，一個(gè)t f r 型液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示屏幕。當(dāng)操作者每一次按鍵 或旋動(dòng)旋鈕時(shí)，單片機(jī)都通過串口將鍵值發(fā)送給a r m ，a r m 對鍵值進(jìn)行分析，根據(jù)操作者的要求 實(shí)時(shí)地更新菜單和波形。 6 電源模塊完成對系統(tǒng)的供電功能。 2 2 本方案的優(yōu)點(diǎn) 6 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本方案在硬件上采取高速a 加+ f p g a + a r m 9 ，軟件上選擇嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)。使用本方 案來實(shí)現(xiàn)d s o 具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1 采用a r m 處理器，利用其強(qiáng)大的控制性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的優(yōu)化； 2 利用a r m 靈活的接口技術(shù)使系統(tǒng)的存儲(chǔ)器擴(kuò)展、鍵盤控制、顯示控制等方面的工作大大 簡化，利用其內(nèi)置的u s b 控制器和u a r t 控制器可實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的高速通信； 3 利用f p g a 的高速i o 口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的緩沖，任務(wù)轉(zhuǎn)化為并行處理低速數(shù)據(jù)，從而減輕 了后端a r m 的負(fù)擔(dān)： 4 利用f p g a 豐富的硬件資源來實(shí)現(xiàn)一些外圍芯片的功能，提高了系統(tǒng)的集成度： 5 引入了嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)，利用l i n u x 支持各種硬件的特點(diǎn)，使系統(tǒng)的片上資源能夠 得到最大限度的利用。并能在不作大規(guī)模軟件修改的情況下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和 軟硬件升級(jí)和移植。 2 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 下面主要介紹信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)控制模塊，鍵盤與顯示模塊放在后面 章節(jié)介紹。 2 3 1 信號(hào)調(diào)理模塊 信號(hào)調(diào)理模塊包括放大衰減電路、耦合控制電路、直流偏置等。 放大衰減電路調(diào)整輸入波形的幅度和范圍。必須把不同幅度的信號(hào)進(jìn)行變換以適應(yīng)屏幕的顯示 范圍，這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對波形進(jìn)行測量，為此就要求對大信號(hào)進(jìn)行衰減、對小信號(hào)進(jìn)行放 大。 耦合控制電路決定輸入信號(hào)從示波器面板上的輸入端到該通道垂直放大器其它部分的方式。耦 合控制可以有兩種設(shè)置方式，即d c 耦合和a c 耦合。d c 耦合方式為信號(hào)提供直接的連接通路，因 此信號(hào)的所有分量( a c 和d c ) 都會(huì)影響示波器的波形顯示。a c 耦合方式則在輸入端和衰減器之 間串聯(lián)一個(gè)電容，這樣，信號(hào)的d c 分量就被阻斷，而信號(hào)的低頻a c 分量也將受阻或大為衰減。 直流偏置的作用是控制信號(hào)的直流偏移。 圖2 2 是前端模擬信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖。 輸入 信號(hào) r j 廠 _ 1p 卜卜 l i 卜| | 叮翻j 墨叢i d c a c 1 ，1 0 衰減阻抗變換可控衰減器放大器 直流偏置 圖2 2 前端模擬信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖 2 3 2 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊 如前所述，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：雙通道，實(shí)時(shí)最高采樣率為1 g s p s ，帶寬達(dá)到2 0 0 m h z ，垂 直分辨率為8 b i t ，每個(gè)通道的存儲(chǔ)深度為1 0 k ，并且要求低功耗低成本。由于最高采樣率達(dá)到1 g s p s ， 所以需要采取一種方案米滿足這種高速的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和顯示。 高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器的一種方案是采用高速d 轉(zhuǎn)換器+ 硬件f i f o + m c u + l c d 控制器的硬件 結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)示波器從采樣，數(shù)據(jù)處理再到顯示的一系列的過程，其中包括m c u 對a d 轉(zhuǎn)換器的采 樣控制電路，m c u 對f i f o 控制電路，m c u 內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，觸發(fā)控制電路，l c d 控制器的電路等 多個(gè)復(fù)雜部分，由于涉及到的中低集成度的電子元器件較多，電路復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的集成度較低， 對一個(gè)高速的系統(tǒng)米說，穩(wěn)定性和可靠性都人人降低。 7 東南人學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊示意圖 基于上述原因，本課題采用了高速a d 轉(zhuǎn)換器+ f p g a + a r m 9 的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2 3 所示， 前端利用f p g a 電路設(shè)計(jì)靈活，硬件資源豐富的特點(diǎn)，用f p g a 作為高速數(shù)據(jù)的緩存，并產(chǎn)生觸發(fā) 控制信號(hào)，后端利用a r m 9 內(nèi)部豐富的資源來對整機(jī)進(jìn)行控制，包括從f p g a 中讀取采樣數(shù)據(jù)，進(jìn) 行數(shù)值計(jì)算，對l c d 的控制，菜單和波形的顯示，外擴(kuò)u s b 接口和r s 2 3 2 串口的控制等。整個(gè)系 統(tǒng)為3 個(gè)主要的芯片組成，大人簡化了硬件電路，由于f p g a 的加入，一些數(shù)據(jù)的計(jì)算既可以在f p g a 內(nèi)也可以在a r m 內(nèi)完成，使得整個(gè)設(shè)計(jì)更加靈活，提高了該硬件結(jié)構(gòu)的通用性、有效性和可靠性。 根據(jù)以上技術(shù)要求，本課題數(shù)據(jù)采集使用的芯片是a d c 0 8 d 5 0 0 。a d c 0 8 d 5 0 0 是2 0 0 5 年美國國 家半導(dǎo)體( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 公司推出的差分輸入，取樣率達(dá)5 0 0 m s p s 的8 位雙通道模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這款a d 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)在于其高性能和低功耗，在過去的一些a d 轉(zhuǎn)換器中，若采樣 速率超過1 g s p s ，而同時(shí)又要確保動(dòng)態(tài)性能保持在極高的水平，那么其功耗一定很高。而這款a d 轉(zhuǎn) 換器的功耗低至1 4 w 以下，岡此在設(shè)計(jì)電路時(shí)無需在為該a d 轉(zhuǎn)換器加設(shè)散熱器，不僅節(jié)省了電 路板的板面空間，而且還可降低系統(tǒng)成本以及提高系統(tǒng)的可靠性。其具體性能【9 】如下： 1 8 b i t s 采樣精度； 2 1 0 。1 5 誤碼率； 3 有效位數(shù)( e n o b ) 達(dá)7 5 b i t s ( 輸入信號(hào)2 5 0 m h z 時(shí)) ； 4 微分非線性誤差( d n l 為o 1 5 l s b ) ； 5 可調(diào)的模擬輸入范圍； 6 5 0 0 m s p s 實(shí)時(shí)采樣下作時(shí)的功耗1 4 w ，掉電狀態(tài)功耗為3 5 m w ： 7 支持單邊數(shù)據(jù)率和雙邊數(shù)據(jù)率的輸出時(shí)鐘； 8 1 9 v 供電( 1 8 v 一2 o v ) 。 a d c 0 8 d 5 0 0 除了單通道能實(shí)現(xiàn)最高采樣達(dá)5 0 0 m s p s 的速率外，最大的特點(diǎn)是能夠進(jìn)行雙邊沿 采樣( d e s ) 。在d e s 模式下，只有一路信號(hào)被采樣，另一路信號(hào)接空，被接入信號(hào)在一個(gè)轉(zhuǎn)換器 內(nèi)以采樣時(shí)鐘的上升沿采樣，而在另一個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)以采樣時(shí)鐘的下降沿采樣，這樣在一個(gè)采樣時(shí)鐘 周期內(nèi)對該信號(hào)進(jìn)行了兩次采樣，使5 0 0 m h z 采樣信號(hào)能夠進(jìn)行1 g h z 的采樣。 在d e s 模式下，輸出是一個(gè)1 ：4 的信號(hào)分離器，即信號(hào)分4 路并行輸出。在采樣速率為5 0 0 m h z 時(shí)( 在d e s 模式下進(jìn)行的是1 g h z 的采樣) ，每個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)速率是2 5 0 m h z 。 輸出的模式分為單邊數(shù)據(jù)率模式和雙邊數(shù)據(jù)率模式，在單邊數(shù)據(jù)率模式f ，輸出數(shù)據(jù)和輸出時(shí) 8 第_ 二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 鐘的頻率相同，外部處理器可以在輸出時(shí)鐘的上升沿采樣，而在雙邊數(shù)據(jù)率模式下，輸出時(shí)鐘的頻 率是輸出數(shù)據(jù)速率的一半，也即外部處理器必須在輸出時(shí)鐘的上升和下降邊沿都采樣，才能采集完 整。采用雙邊數(shù)據(jù)率模式可以降低輸出的時(shí)鐘頻率，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。 利用a d c 0 8 d 5 0 0 雙邊采樣的這種特性，在不增加任何硬件成本的情況下使系統(tǒng)的單次帶寬指 標(biāo)提高了一倍。當(dāng)采樣速率為5 0 0 m h z ，輸出時(shí)鐘在雙邊數(shù)據(jù)率輸出模式下，變?yōu)檩敵鰯?shù)據(jù)速率的 一半，即1 2 5 m h z ，降低了后端f p g a 的接收頻率。同時(shí)，采用了較低速度的器件實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的 采樣，減小了電路實(shí)現(xiàn)的難度，也提高了系統(tǒng)的可靠性。 本系統(tǒng)中，前端高速a d 轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)通道較多( 8 個(gè)通道) ，如果采用分離的存儲(chǔ)器來 搜集采集過來的數(shù)據(jù)，所用的存儲(chǔ)器數(shù)暈將達(dá)到8 片，那么電路板上的數(shù)據(jù)線和地址線將大大增加， 面積也相應(yīng)增加了，并且要增加控制電路對存儲(chǔ)器進(jìn)行有序的讀取，不僅降低了整個(gè)系統(tǒng)的集成度 而且增加了設(shè)計(jì)和控制的難度，所以對于本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器，最終選擇了集成度高，控制靈活的f p g a 芯片。 高速f p g a 用來接收前端高速a d 轉(zhuǎn)換器采集的多通道數(shù)據(jù)，用作數(shù)據(jù)的緩存。由于f p g a 的 i o 端口讀寫速度要求與a d 轉(zhuǎn)換器輸出的時(shí)鐘相匹配，并且按照設(shè)計(jì)的要求，該d s o 需要每個(gè)通 道1 0 k 的存儲(chǔ)容量，故對f p g a 的存儲(chǔ)空間也有一定的要求，在f p g a 內(nèi)需要作數(shù)字預(yù)處理，也 需要高速的乘法器來幫助完成，綜合成本考慮，最終選擇了x i l i n x 公司的性價(jià)比較高的s p a r t a n 3 e 系列的f p g a 芯片x c 3 s 5 0 0 e 。 s p a r t a n 3 e 是x i l i n x 公司2 0 0 5 年推出的f p g a 系列，其第四個(gè)采用先進(jìn)的9 0 n m 制造工藝技 術(shù)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。該系列的器件密度為1 0 萬門到1 6 0 萬門，其單位邏輯單元的成本是f p g a 行 業(yè)中最低的，并且優(yōu)化了針對以邏輯為中心的設(shè)計(jì)，并且能夠內(nèi)嵌微型處理器，微型控制器和信號(hào) 處理器，這些使s p a r t a n 3 e 系列的芯片性價(jià)比大大提高，降低了器件的成本和總體系統(tǒng)的成本。 x c 3 s 5 0 0 e 主要內(nèi)部資源和性能特點(diǎn)【1 0 j 為： 1 5 0 0 k 個(gè)系統(tǒng)門； 2 1 0 4 7 6 個(gè)邏輯單元( l e ) ： 3 3 6 0 k b i t s 的r a m 存儲(chǔ)塊( b l o c kr a m ) ； 4 7 3 k b i t s 可分配r a m 單元( d i s t r i b u t e sr a m ) ； 5 4 個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理單元( d c m ) ： 6 2 0 個(gè)1 8 1 8 位的硬件乘法器( m u l t i p l i e r s ) ： 7 最大單端l o 數(shù)為2 3 2 個(gè)； 8 最大差分l o 數(shù)為9 2 個(gè)； 9 支持s p i 接口或者字節(jié)寬并行接口f l a s h 對其配置； 1 0 簡易實(shí)現(xiàn)d d r 存儲(chǔ)器接口： 1 1 支持增強(qiáng)行d d r 接口； 1 2 支持1 8 種通用i o 標(biāo)準(zhǔn)，包括l v c o m s ，i ：m ，h s t l 和s s t l 單端信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，以及 u s 、r s d s 、m i n i l v d s 等差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)； 1 3 最大i o 口數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)6 2 2 m h z ； 1 4 i s e ( 集成軟件環(huán)境) 工具提供對s p a r t a n 3 e 系列芯片進(jìn)行仿真調(diào)試下載。 2 3 2 系統(tǒng)控制模塊 系統(tǒng)控制模塊是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的重要組成模塊，它作為前端采集與存儲(chǔ)模塊和后端鍵盤和顯 示模塊的銜接，在系統(tǒng)中起著重要的作用。其主要任務(wù)有：將前端采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以波形的形式顯 示在l c d 上；通過串口接受鍵盤的鍵值，根據(jù)鍵值改變l c d 上波形和菜單的顯示；給前端的采集 模塊發(fā)控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)采集的速度；系統(tǒng)控制模塊中的u s b 以及u a r t 接口還負(fù)責(zé)和上位機(jī)通 信。 本系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)，所以選擇嵌入式處理器作為系統(tǒng)的控制核心。從應(yīng)用的角度來劃分，嵌 9 東南人學(xué)碩上學(xué)位論文 入式處理器分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器和嵌入式d s p 。嵌入式微控制器義稱單片機(jī)，它 的突出優(yōu)點(diǎn)是控制能力強(qiáng)，但數(shù)據(jù)處理速度較低。嵌入式d s p 的數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)，但控制能力 較弱。最終我們選擇了嵌入式微處理器以滿足本系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理和多種控制功能。經(jīng)過論證， 我們使用s a m s u n g 公司以a r m 9 2 0 t 為內(nèi)核的$ 3 c 2 4 1 0 1 1j 嵌入式微處理器作為數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主 控制芯片。圖2 _ 4 是系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。s a m s u n g 公司推出的3 2 位r i s c 處理器$ 3 c 2 4 1 0 ，最 高處理速度達(dá)到2 0 3 m h z ，并兼有低功耗、高性能和高集成度等特性，是業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣的嵌入式微 處理器之一。 $ 3 c 2 4 1 0 的顯著特性是它的c p u 核心，是一個(gè)由a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ( a r m ) 有限公司設(shè) 計(jì)的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 處理器。a r m 9 2 0 t 采用5 級(jí)流水線，實(shí)現(xiàn)了m m u ，a m b