刁j “ 西華大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究 工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經注明引用內容和致謝的地方外， 本論文不包含其他個人或集體已經發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請 學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻 均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 若有不實之處，本人愿意承擔相關法律責任。 學位論文作者簽名：王春囊 指導教師簽名：彳夠老j 吊 日期：聊o 6 1 日期加f j 西華大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，在校 攻讀學位期間論文工作的知識產權屬于西華大學，同意學校保留并向國家 有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，西 華大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。( 保密的論文在解 密后遵守此規(guī)定) 學位論文作者簽名：互蠢熱 指導教! j i i ；簽名：礱移誓j 昂 日期：期d 6 1 日期 釉f o 6 、i i 西華大學碩士學位論文 摘要 為了提高晶振與時間繼電器的測試效率，實現(xiàn)儀器的便攜性與可程控，本設計研制 了一種可對晶振頻率和時間繼電器的時間參數(shù)自動測量的儀器?？梢酝瑫r接收八路輸入 信號，自動測試完畢后，在t f t 液晶屏上實時顯示出測量結果、絕對誤差和相對誤差。 本設計以l u m i n a r y 公司c o r t e x - m 3 內核的單片機l m 3 s 8 9 6 2 和a l t e r a 公司c y c l o n e n 系列的f p g a 芯片e p 2 c 8 0 2 0 8 為核心構成硬件系統(tǒng)平臺。采用高性能的c o r t e x - m 3 內 核單片機，實現(xiàn)了智能化測量。系統(tǒng)的硬件設計包括單片機和f p g a 外圍電路設計、鍵 盤與l c d 接入設計、被測信號調理模塊等。系統(tǒng)的軟件設計有：用c 語言實現(xiàn)單片機的 控制，用混合描述方式實現(xiàn)f p g a 內測試模塊，用l a bw i n d o w s c v i 實現(xiàn)上位機軟件界 面的控制。測量和計算結果采用3 2 0 * 2 4 0 液晶屏顯示，界面友好，人機交互方便。 該作品做為一種智能程控儀器，可以進行本地控制和遠程控制。遠程控制時，通過 儀器內部的通用接口模塊，可以與實驗室研制的t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口及接口驅動 軟件對接，組合為多接口兼容可程控儀器，由上位機發(fā)送s c p i 指令完成測量過程，進 而與計算機構成具備t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口的自動測試測試系統(tǒng)。 本論文對上述的各項工作進行了詳盡的討論，并以相應的實物模塊為例，證明了該 系統(tǒng)的可行性。參照國標要求，對繼電器測試精度達到1 0 娟，對晶振的測試精度達到1 0 9 。 突破了目前市場多種繼電器測試儀，晶振測試儀，測試功能單一的特點。實驗結果分析 和測試應用的結果證明，該測試系統(tǒng)具有較小的測量不確定度、較高的工作效率。 關鍵詞：晶振；時間繼電器；f p g a ；l m 3 s 8 9 6 2 ；自動測試系統(tǒng) 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et 1 1 et e s te f f i c i e n c yf o ro s c i l l a t o r sa n dt i m er e l a y s ，a n dm a k et h et e s t e r p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e da n dp o r t a b l e ，t h ei n s t m m e n tu s e df o rt e s t i n gf r e q u e n c ya n dr e l a y s t i m ep a r a m e t e r sh a sb e e nd e s i g n e d t h et e s t e re q u i p p e d 謝也e i g h tc h a n n e l sf o re i g h ts i g n a l s i n p u ts i m u l t a n e o u s l y w h e na u t o m a t i ct e s tc o m p l e t e d ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，a b s o l u t ee r r o r s a n dr e l a t i v ee r r o r sa r ed i s p l a y e do nt f t l i q u i dc r y s t a lp a n e li nr e a lt i m e 1 1 1 eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i st e s ti n s t r u m e n tb a s e do nl u m i n a r y sl m 3s 8 9 6 2w i 也 c o r t e x - m 3c o r ea n da l t e r a s c y c l o n e i is e r i e sf p g ac h i p se p 2 c 8 q 2 0 8 i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n ti sa c h i e v e ds i n c et h eu s eo ft h e h i g h - p e r f o r m a n c e c o r t e x - c o r e m i c r o c o n t r o l l e r t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sm i c i 0 c o n t i 0 n e ra n df p g ae x t e r n a lc i r c u i t d e s i g n , t h ec i r c u i to fk e y b o a r da n dl c d ，t h ec o n d i t i o n i n gm o d u l ef o re a s u r e ds i g n a l s y s t e m s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e s ：u s e i n gc l a n g u a g et oa c h i e v em c uc o n t r o l ，u s i n gh y b r i dd e s c r i p t i o n o ff p g at 0r e a l i z et e s tm o d u l ei n s i d e ，u s i n gl a bw i n d o w s c v is o f t w a r ei n t e r f a c et oa c h i e v e t h eu p p e rm a c h i n ec o n t r 0 1 n em e a s u r e da n dc a l c u l a t e dr e s u l t sa r ed i s p l a y e do nl c d l i q u i d c r y s f l ap a n e l 誦t h3 2 0 2 4 0p e l s ，u s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c et o f a c i l i t a t eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n a sa ni n t d l i g e n tp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e dt e s t e r , i tc a nb el o c a lc o n t r o la n dr e m o t e c o n t r 0 1 i nr e m o t ec o n t r o lm o d e ，t h r o u g hac o m m o ni n t e r f a c em o d u l ed e s i g n e di nt h e i n s t r u m e n t , c o m b i n e dw h t ht c p 瑕g p i b ，u s bi n t e r f a c ea n di n t e r f a c e - d r i v e ns o f t w a r e ，a m u l t i i n t e r f a c e c o m p a t i b l ed e v i c ei si n t e g r a t e d ，h o s tc o m p u t e rs e n ds c p ic o m m a n d st o c o m p l e t em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h u sc o n s t i t u t e sa na u t o m a t i ct e s ts y s t e m 謝t l lc o m p u t e ra n d t c p 珉g p m ，u s bo ro t h e ri i l t e r f a c 銘 i nt h i sp a p e r ，t h ew o r ko ft h ea b o v eh a dad e t a i ld i s c u s s i o n ，a n du s i n gc o r r e s p o n d i n g p h y s i c a lm o d u l e sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m r e f e r e n c et on a t i o n a ls t a n d a r d ，r e l a y t e s ta c c u r a c ya c h i e v e dl0 ，c r y s t a la c h i e v e dl0 叫b r e a k t h r o u g ht h ec h a r a c t e ro fav a r i e t yo f r c l a yt e s t e r , c r y s t a lt e s t e ro n l yh a v es i n 百ef u n c t i o ni nt h ec u r r e n tm a r k e t t h ee x p e r i m e n t a l a n a l y s i sa n dr e s u l to ft e s t sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mo f f e r ss m a l l e ru n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n t a n dh i g h e re f f i c i e n c y k e yw o r d ：c r y s t a l ；t i m er e l a y ；f p g a ；l m 3 s 8 9 6 2 ；a u t o m a t i ct e s ts y s t e m 西華大學碩士學位論文 目錄 摘 要i a b s t r a c t i i l 者論1 1 1 研究背景及意義。l 1 2國內外發(fā)展現(xiàn)狀1 1 3 本課題研究的主要內容2 2 時間頻率測量方法4 2 1 直接測頻法4 2 2 間接測頻法。4 2 3 等精度測量法5 2 4 測試儀設計方案論證6 3 系統(tǒng)的硬件設計8 3 1 硬件總體設計8 3 2 單片機主控模塊設計8 3 2 1 l m 3 s 8 9 6 2 單片機介紹9 3 2 2 單片機控制電路設計1 7 3 3 f p g a 內部的測試模塊1 9 3 3 1 f p g a 芯片介紹1 9 3 3 2 完成測試的各功能模塊設計2 l 3 3 3 通用接口設計2 9 3 3 4g pib 接口與s c pi 協(xié)議3 2 3 4 外圍電路設計3 4 3 4 1 鍵盤接口電路設計3 5 3 4 2 液晶顯示電路設計3 6 3 4 3j t a g 及a s 配置電路設計3 8 3 4 4 電源模塊設計3 9 4 系統(tǒng)的軟件設計4 1 4 1基于l m 3 s 8 9 6 2 的程序開發(fā)4 2 4 1 1l m 3 s 8 9 6 2 開發(fā)環(huán)境介紹4 2 4 1 2 單片機主程序設計4 3 4 1 3 鍵盤掃描子程序設計4 3 4 2 基于f p g a 的程序4 7 4 2 1f p g a 開發(fā)環(huán)境4 7 4 2 2f p g a 單元模塊的實現(xiàn)5l 4 3 上位機開發(fā)環(huán)境l a b w in d o w s c vi 5 4 4 3 1虛擬儀器界面模塊5 5 4 3 2 應用程序設計。5 6 5 系統(tǒng)測試及結果6 0 5 1調試過程6 0 5 1 1 硬件調試6 0 5 1 2 軟件調試6 0 i 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 5 2 系統(tǒng)測試6 l 5 3 作品實物及測量結果顯示6 3 結論6 5 參考文獻6 6 附錄a晶振與時間繼電器測試儀p c b 板圖6 8 附錄b 單片機m ain 函數(shù)6 8 參考文獻7 7 致謝8 0 i v 西華大學碩士學位論文 1 緒論 1 1研究背景及意義 在國防航空、工業(yè)電子、科研計量等部門，常常需要了解所用的晶體振蕩器的諧振 頻率、頻率準確度等性能。采用傳統(tǒng)的計數(shù)器或示波器等測試設備面臨測試效率低、測 試不方便的問題。對于低端諧振器、振蕩器的測試，更是因為測試比較困難而無法得到 測試確認，甚至會影響整套系統(tǒng)的性能。高穩(wěn)定度晶振的準確度、老化等性能的測試校 準，傳統(tǒng)方法需要一套專門龐大的計量測試設備，成本高昂而且無法保障在實際應用中 的性能和精度。 而在工業(yè)生產和制造業(yè)中常用的時間繼電器如j s l 4 s 、d h l 4 s 等系列，隨著使用中的 磨損和老化，它的定時精度和可靠性都會降低。為了能夠提前知道時間繼電器的定時準 確度，從而進行校正、修理或者在定時的時候把誤差考慮進去，就需要定期的對時間繼 電器進行檢定。在以往，時間繼電器的檢定裝置主要是用電秒表。但是有幾個方面的的 原因限制了它的發(fā)展：一是有些電秒表使用的時間基準就是使用市電的5 0 h z 作為時間 基準，它的精度不高。二是它最多只有兩個通道，效率不高，無法使用于大批量檢定。 三是它的操作不便，必須人工值守，無法實現(xiàn)測量的自動化。 通過參觀成都某工業(yè)公司，發(fā)現(xiàn)他們的晶體振蕩器測試技術還使用人工測試，工作 效率低下，測試精度有隨機性誤差等弊端，鑒于這種現(xiàn)狀，結合兩種測量原理的相近之 處，本設計研制了一臺功能復用的高精度晶振與時間繼電器測試儀，可以解決對可編程 儀器標準命令s c p i 的解析，和自動測試系統(tǒng)中可程控儀器通信協(xié)議生成，與國際儀器 設計遵循的標準s c p i 兼容，并可通過t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口與p c 機構成自動測試 系統(tǒng)，從而將計算機技術、軟件技術、智能儀器、總線與接口技術等有機地結合在一起。 高速、高精確度、多參數(shù)、多功能的自動測試系統(tǒng)，是電子測量技術與自動控制和 電子計算機技術密切結合的成果，是電子測量儀器數(shù)字化與數(shù)字信息系統(tǒng)相結合的產 物，能避免了人為因素的誤差，可獲得十分良好的測試復現(xiàn)性；通過進行大量的冗余測 量，進行判斷、分析和折算，可以在很大程度上消除或削弱隨機誤差和系統(tǒng)誤差，從而 獲得極高的測量精確度。 1 2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 時間繼電器屬于低壓電器控制類，其發(fā)展史可追溯到7 0 年代，隨著我國電子技術 的不斷發(fā)展和專用時間繼電器芯片的研發(fā)和應用，使國內生產的時間繼電器，從產品外 觀到性能上都得到了很大程度的發(fā)展。用戶在使用時可通過面板外設的撥碼或功能按鍵 進行時間或控制方式的預置，從具體使用上有些產品基本上可與國外產品進行等同互 換。然而在國內對這些大量應用的數(shù)顯時間繼電器的計時準確性的自動測試儀的研究卻 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 沒有得到同步發(fā)展，目前國內大多數(shù)使用單位仍然在大量采用傳統(tǒng)的機械式或者是模擬 式時間檢測儀器來測量時間繼電器的計時準確度，這種檢測儀體積大、精度低、操作復 雜對測試人員要求高。這嚴重的制約了智能時間繼電器的推廣應用，因而就迫切的需要 研究一款體積小、重量輕、操作簡便的數(shù)顯時間繼電器智能測試儀，能夠同時對多款不 同型號不同種類數(shù)顯時間繼電器的準確性進行快速檢測。 晶振測試儀廣泛應用于晶體行業(yè)、郵電、通信、廣播電視、學校、研究所及工礦企 業(yè)的科研和生產之中，但在2 0 0 4 年以前，晶振測試儀仍依賴于國外進口。目前市場上 最精確的計時計頻儀器是產自美國福祿克的p m 6 6 8 1 r p m 6 6 8 5 r 計時計頻器它提供了 使所有的p m 6 6 8 1 r p m 6 6 8 5 r 的功能和穩(wěn)定性精度都相當高的內置銣時基，可給出1 0 位 的可靠顯示，價格高達1 6 萬人民幣。國內市場上的晶振測試儀也都價格不菲，所以在 提高精度、降底成本上下功夫是很有意義的。 總之，目前市場上涉及到測量精度的儀器，普遍成本較高，如果將晶體振蕩器和時 間繼電器的測試利用一臺儀器來完成，就可以很大程度上降底成本。本文提出的可程控 的晶振與繼電器高精度測試儀，不但是一臺測試功能齊全的晶振測試儀，也可以僅通過 軟件菜單的選擇，切換內部測試模式，形成一臺高準確度的繼電器測試儀，無需增添其 他任何硬件設備。通過專利查詢還沒有發(fā)現(xiàn)相關的技術。 1 3 本課題研究的主要內容 本課題研究的晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)原理如下：由于在電子測量中 頻率信號抗干擾能力強，測量精度高，因而利用頻率信號去測量時間，l m 3 s 8 9 6 2 完成控 制、處理與顯示，f p g a 完成分頻、計數(shù)、閘門控制等模塊。被測時間繼電器的信號和基 準頻率信號在單片機的控制下進入f p g a ，由f p g a 內部的閘門控制模塊和計數(shù)模塊完成 繼電器高脈沖下的時標計數(shù)，繼電器吸合的同時f p g a 內停止計數(shù)，然后單片機讀回測 量結果，并計算出設置值與測量值之間的絕對誤差和相對誤差，最后將測量和計算結果 送到l c d 上進行顯示。 測量晶振精度時，外部基準頻率源切換到銣標，此時基信號經過分頻形成1 s 到 1 0 0 0 s 的精確閘門時間，這時做為計數(shù)脈沖的是被測晶振。其它原理與繼電器的測試相 同，在不增加成本的基礎上實現(xiàn)了功能的擴展。 歸納起來本論文主要對以下幾方面內容進行討論： 研究了晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的測量原理和結構； a r m 、f p g a 硬件系統(tǒng)平臺的設計，包括配置電路、l c d 電路、接口轉換電路等一 些外圍電路的設計： 以單片機l m 3 s 8 9 6 2 作為系統(tǒng)的主控部件實現(xiàn)了對系統(tǒng)的管理、控制和顯示； 基于q u a r t u si i 和v h d l 語言在f p g a 芯片c y c l o n ei i 系列e p 2 c 8 上采用自上而下 2 西華大學碩士學位論文 的數(shù)字電子系統(tǒng)設計方法，實現(xiàn)了對頻率測量的硬件及軟件設計： 設計上位p c 機虛擬儀器控制程序并將上位p c 機虛擬儀器控制程序、接口轉換 卡、測時間繼電器測頻的聯(lián)調，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 3 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 2 時間頻率測量方法 時間頻率的測量n 1 是電子測量領域的最基本的測量之一，由于頻率信號抗干擾能力 強、易于傳輸、可以獲得較高的測量精度，在數(shù)字化測量系統(tǒng)中對時間的測量通常都是 轉化為對頻率的測量晗3 ，所以對頻率測量方法3 的研究越來越受到重視。下面將分別介 紹測頻領域幾種常用的測頻方式，即直接測頻法、間接測頻法和等精度測頻法。 2 1 直接測頻法 直接測頻法是根據(jù)頻率的定義廷伸出來的一種測量方法，它的工作原理框圖如圖 2 1 所示。首先，被測信號通過信號調理，形成幅度一致，形狀一致的計數(shù)脈沖，即時 標。然后，將它加到閘門的一個輸入端。由石英振蕩器產生的振蕩信號經放大整形，形 成方波，在分頻控制電路的控制下，形成不同周期的門控信號，加到閘門的另一個輸入 端。閘門由門控信號來控制其關閉時間，只有在閘門打開時間t 內，通過計數(shù)器記錄被 測信號的脈沖個數(shù)n 。根據(jù)頻率的定義計算出被測信號的頻率為g a ：型( 2 1 ) 7 圖2 1 直接測頻法原理圖 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 2 2 間接測頻法 間接測頻法嘲是通過測量被測信號的周期來計算頻率的，即通過測量被測信號的周 期t x ( 即被測信號兩間隔脈沖間的時間) ，并由周期為頻率的倒數(shù)來確定被測向信號的 頻率。其測量電路框圖如圖2 2 所示。 4 西華大學碩士學位論文 圖2 2 間接測頻法的原理圖 f i g2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n d i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 被測信號經信號調理電路變成方波信號后，經分頻形成門控信號t x ，控制閘門的開 閉。當閘門打開時，周期為t o 的時基信號通過閘門送到計數(shù)器計數(shù)。閘門關閉時，停 止計數(shù)。設記錄下閘門由打開到關閉期間輸出的計數(shù)脈沖n ，則有： tx=nto ( 2 2 ) 以= i 1 = 擊= 魯 ( 2 3 ) 2 3 等精度測量法 等精度測頻方法哺1 是在直接測頻方法的基礎上發(fā)展起來的。它的閘門時間不是固定 的值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步，因此，去除了對被測信號計數(shù) 所產生1 個字誤差，并且達到了在整個測試頻段的等精度測量。等精度測頻的最大特 點就是在整個頻率范圍內都能達同樣的測量精度，且與被測信號頻率大小無關。原理框 圖如圖2 3 。 圖2 3 等精度測頻法原理框圖 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 在測量時間內，被測信號由計數(shù)器n x 計數(shù)，時基脈沖信號做為標準信號由計數(shù)器 n s 計數(shù)。預置門的打開和關閉由被測信號和預置的測量時間控制，兩個計數(shù)器的開關由 控制預置輸出的時間預置電路和同步門電路來完成，使閘門的開啟和關閉和被測信號的 有效跳變同步，從而得到完全相同的閘門開門時間。其原理波形如圖2 4 所示。 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 在測量過程中，兩個計數(shù)器分別對標準信號和被測信號同時計數(shù)。首先給出閘門開 啟信號( 預置閘門上升沿) ，此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到 來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)。然后預置閘門關閉信號( 下降沿) 到時，計數(shù)器并不立 即停止計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結束計數(shù)，完成一次測量過程?？梢?看出，實際閘門時間t 與預置閘門時間t 。并不嚴格相等，但差值不超過被測信號的一個 周期。 2 4 測試儀設計方案論證 依據(jù)對前面介紹的時間頻率測量原理的理解，考慮到本測試儀要完成對晶振和繼 電器各自獨立的測試，結合實驗室的具體情況，最后定下的方案是：在共用軟硬件的基 礎上，通過在f p g a 內設置的一個選擇接口電路，針對不同的測試功能，靈活地選擇相 對精確適用的測量方法。 具體做法是，對時間繼電器測試時，考慮到它屬于低頻信號，故采用間接測頻法， 即測周期法。在繼電器與主板之間，設計一個外圍電路，實現(xiàn)的功能為：在繼電器的定 時時間間隔內，同繼電器輸入主板內測量模塊的被測信號為高電平，定時時間到或不工 作時，此被測信號變?yōu)榈碗娖?。也就是說，此時充當閘門信號的是繼電器的高電平輸出 信號，充當時基脈沖的是恒溫晶體振蕩器( 0 c x 0 ) 的輸出，它的標稱頻率為5 m ，在系統(tǒng)開 機5 m i n 后晶振頻率準確度達2 6 1 0 。6 。 對晶振進行測試時，采用適用于高頻段的測量方法，即直接測頻法，為了盡可能保 證閘門時間的精確度，基準源采用銣標，頻率準確度為5x1 0 q o ，銣時標株子共振理論 從本質上說，其穩(wěn)定性是機電結構晶體振蕩器的1 0 0 倍，由它引進的量化誤差( l 誤 差) 基本上可以忽略。基準源信號經過分頻電路形成可以選擇的不同時間間隔的閘門輸 6 西華大學碩士學位論文 出，被測晶振經整形放大后充當計數(shù)脈沖，符合直接測頻法的定義。 這樣做的好處在于即節(jié)省了硬件資源，又保證了測量精度，僅通過軟件上程序的執(zhí) 行就可方便地切換測試功能。對于前面提到的等精度恒誤差測頻原理由于是近幾年才發(fā) 展起來的所以沒有在本設計中采用，但是如果要對系統(tǒng)的改進或升級則需要優(yōu)先考慮這 種方法，這也是本設計下一步需要改進的地方。 本測試儀h 1 采用美國l u m i n a r y 公司的l m 3 s 8 9 6 2 作為系統(tǒng)的主要控制部件，實現(xiàn)對 整個電路的測試信號控制、數(shù)據(jù)運算處理、鍵盤掃描和控制液晶顯示器的顯示輸出等。 以一塊現(xiàn)場可編程邏輯器件f p g a 芯片( c y c l o n e i i 系列的e p 2 c 8 ) ，完成時基分頻、時序 邏輯控制、計數(shù)、輸出等功能陋1 ?；趒 u a r t u si i ，用v h d l 語言編程對f p g a 進行設計、 編譯、調試、仿真和下載，實現(xiàn)了測試儀的模塊化設計。這樣相對于分離器件來說大大 的縮小了體積、減輕了重量，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性陽1 。在a r m 控制下，當打開 閘門時，被測器件時間繼電器的信號和時間基準信號分別被送入各自計數(shù)器的輸入端開 始計數(shù)，當閘門信號關閉時計數(shù)器都同時停止計數(shù)，單片機將f p g a 內的1 2 位十進制計 數(shù)器的計數(shù)值讀入其內存進行處理后，并將計數(shù)結果送l c d 顯示1 1 0 1 。通過對本地鍵盤或 遠地可程控面板操作，可以分別對時間繼電器和時基信號計數(shù)器的開啟、停止計數(shù)功能 進行控制，也可以對各個計數(shù)器進行初始化。系統(tǒng)將單片機的控制靈活性及f p g a 芯片 ( a c e x1 k 3 0 ) 的現(xiàn)場可編程性相結合，不但大大縮短了開發(fā)研制周期、降低了設計成本， 而且使本系統(tǒng)具有結構緊湊、體積小、重量輕、可靠性好、精度高、易于升級等優(yōu)點。 7 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 3 系統(tǒng)的硬件設計 3 1 硬件總體設計 整個系統(tǒng)的設計主要包括：單片機與f p g a 組成的主機測試系統(tǒng)、鍵盤、液晶顯示、通 用接口模塊、被測繼電器組晶振組以及上位機虛擬儀器控制模塊等?？傮w框圖如圖3 1 所示，其中單片機與f p g a 組成的主機測試系統(tǒng)是本儀器的主體部分，鍵盤實現(xiàn)啟動停 止測量、初始值設置、測時間繼電器或者測晶振的功能選擇，以及測時間繼電器的時標 設置和測晶振時的閘門時間設置等。測試儀虛擬顯示控制面板可以進行本地和遠程測試 設置及顯示，實現(xiàn)本地鍵盤所具有的一切控制功能，達到可程控智能化測試的目的。 圖3 1 系統(tǒng)總體框圖 f i g 3 1 t h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a m o f s y s t e m 系統(tǒng)復位后，各部分都處于準備工作狀態(tài)。在啟動信號到來后，被測時間繼電器的 信號和基準頻率信號在單片機的控制信號的控制下進入f p g a 中的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)結 束后其結果送到緩沖器，當單片機接收到計數(shù)結束信號后到緩沖器取出數(shù)據(jù)進行處理后 送到液晶顯示器進行顯示輸出。鍵盤控制命令通過單片機的g p l 0 口讀入單片機，實現(xiàn) 啟動停止測量、初始值設置、測時間繼電器或者測頻選擇功能以及測時間繼電器的時 標基設置和測頻率時的閘門時間設置等。 3 2 單片機主控模塊設計 8 西華大學碩士學位論文 3 2 1 l m 3 s 8 9 6 2 單片機介紹 本設計的c p u 選用美國l u m i n a r y 公司的a r mc o r t e x - m 3 內核芯片l m 3 s 8 9 6 2 。 c o r t e x - m 3 是首款基于a r m v 7 - m 架構的處理器n u ，其包含的處理器基于a r m v 7 架構的三 個分工明確的部分，a 部分面向復雜的尖端應用程序，用于運行開放式的復雜操作系統(tǒng)； r 部分針對實時系統(tǒng)；m 部分為成本控制和微控制器應用提供優(yōu)化。是專門為了在微控 制器，汽車車身系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域 實現(xiàn)高系統(tǒng)性能而設計的，它大大簡化了可編程的復雜性。 ( 1 ) c o r t e x - m 3 內核介紹 a r m 內核的發(fā)展如圖3 2 所示，圖中都是較為常見的a r m 內核，目前最新的已經不 是c o r t e x 系列了，在過去的十年里，a r m 7 系列處理器被廣泛應用于眾多領域。c o r t e x - m 3 在a r m 7 的基礎上開發(fā)成功，為基于a r m 7 處理器系統(tǒng)的升級開辟了道路。它的中心內核 效率更高，編程模型更簡單，它具有出色的確定中斷行為，其集成外設以低成本提供了 更強大的性能。下面我們重點介紹本項目中使用的c o r t e x 內核。 圓園圓圈圈園 圖3 2a r m 內核的發(fā)展 f i g 3 2 t h ed e v e l o p m e n to f a r mc o l e c o r t e x m 3 內核【1 2 】的特點主要有：具有a r m v t m 架構，在a r m v 4 t 架構基礎上拓 展了3 6 條新指令；具有更高的性能，t h u m b 2 指令集架構( i s a ) 使其具有業(yè)界領先的 代碼密度；具有存儲器保護單元( m p u ) ，m p u 加強了優(yōu)先權和訪問規(guī)則，在多任務操 作系統(tǒng)中通過分離代碼、數(shù)據(jù)和堆棧來實現(xiàn)安全的優(yōu)先級，同時通過控制存儲地址的讀、 寫和執(zhí)行來實現(xiàn)訪問的限制；具有標準化的存儲器映射，高密度的內存使用，支持8 位、 1 6 位、3 2 位等非對齊訪問和位操作( b i t b e n d i n g ) ；支持最大8 層的硬件中斷嵌入，自 動壓棧和出棧，高優(yōu)先級中斷可以遲來中斷，多掛起中斷占先出棧，大大降低了中斷延 遲，并集成了嵌套向量中斷控制器( n v i c ) 和內建系統(tǒng)時鐘；增強了調試和跟蹤的能 力；更加節(jié)省了功耗，具有兩種睡眠模式；能夠更好地支持帶有c o r e s i g h t 以及其它系 統(tǒng)特性的多核系統(tǒng)。c o r t e x m 3 內核比a r m t d m i 有著更加優(yōu)良的性能，具體比較如表 3 1 所示。 9 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 表3 1c o r t e x - m 3 與a r m 7 t d m i 性能比較所示 t a b l e3 1t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nc o r t e x - m 3 與a r m 7 t d m i 特性 a i w 7 t d m ic o r te x - m 3 架構 a r m v 4 t ( 馮若依曼) a r m v 7 一m ( 哈佛) i s a 支持t h u m b a r m t h u m b t h u m b 一2 流水線3 級3 級+ 分支預測 中斷f i q i r q2 4 0 個物理中斷 中斷延時2 4 4 2 個時鐘周期1 2 個時鐘周期( 未尾連鎖僅6 個周期) 休眠模式無內置 存儲器保護無8 段存儲器保護單元 硬件除法無2 - 1 2 個時鐘周期 運行速度 0 9 5d m i p s m h z1 2 5d m i p s m h z 功耗 0 2 8m w m h z0 1 9m w m h z 面積 0 6 2m m 2 0 8 6m m 2 ( 內核+ 外設) c o r t e x - m 3 內核的內部方框圖如圖3 3 所示，它主要分為以下幾個組件：處理器內 核、嵌套向量中斷控制器( n v i c ) 、存儲器保護單元( m p u ) 、總線接口、低成本調試解決 方案。下面逐一介紹n 羽。 處理器內核，特點：門數(shù)目少，中斷延遲短。 a r m v 7 - m ：t h u m b - 2i s a 子集，包含所有基本的1 6 位和3 2 位t h u m b - 2 指令 只有s p 是分組的，寄存器集比a r m 7 簡單 硬件除法指令，s d i v 和u d i v ( t h u m b - 2 指令 處理模式( h a n d l e rm o d e ) 和線程模式( t h r e a dm o d e ) t h u m b 狀態(tài)和調試狀態(tài) 可中斷一可繼續(xù)( i n t e r r u p t i b l e c o n t i n u e d ) l d m s t m ，p u s h p o p ，實現(xiàn)低 中斷延遲 自動保存和恢復處理器狀態(tài)，可以實現(xiàn)低延遲地進入和退出中斷服務程序 ( i s r ) 支持8 位、1 6 位和3 2 位等非對齊訪問 1 0 西華大學碩士學位論文 圖3 3a r mc o r t e x - m 3 內核內部方框圖 f i g 3 3 t h ei n t e r n a lb l o c kd i a g r a mo f a r mc o r t e x - m 3c o r e 嵌套向量中斷控制器( n v i c ) ，與處理器內核緊密結合實現(xiàn)低延遲中斷處理。 外部中斷可配置為1 2 4 0 個 優(yōu)先級位可配置為1 8 位 中斷優(yōu)先級可動態(tài)地重新配置 優(yōu)先級分組。分為占先中斷等級和非占先中斷等級 支持末尾連鎖( t a i l 一c h a i n i n g ) 和遲來( 1 a t ea r r i v a l ) 中斷。這樣，在 兩個中斷之間沒有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復指令的情況下，使能背對背中 斷( b a c k - t o - b a c ki n t e r r u p t ) 處理 處理器狀態(tài)在進入中斷時自動保存，中斷退出時自動恢復，不需要多余的指 令 存儲器保護單元( m p u ) 。m p u 功能可選，用于對存儲器進行保護。 8 個存儲器區(qū) 子區(qū)禁止功能( s r d ) ，實現(xiàn)對存儲器區(qū)的有效使用 可使能背景區(qū)，執(zhí)行默認的存儲器映射屬性 內部總線接口 a h b l i t ei c o d e 、d c o d e 和系統(tǒng)總線接口 1 1 晶體振蕩器與時間繼電器自動測試系統(tǒng)的設計 a p b 專用外設總線( p p b ) 接口 b i tb a n d 支持，b i t - b a n d 的原子寫和讀訪問 存儲器訪問對齊 寫緩沖區(qū)，用于緩沖寫數(shù)據(jù) 成本調試解決方案 當內核正在運行、被中止、或處于復位狀態(tài)時，能對系統(tǒng)中包括c o r t e x m 3 寄存器組在內的所有存儲器和寄存器進行調試訪問 串行線( s w - d p ) 或j t a g ( j t a g d p ) 調試訪問，或兩種都包括 f l a s h 修補和斷點單元( f p b ) ，實現(xiàn)斷點和代碼修補 數(shù)據(jù)觀察點和觸發(fā)單元( d w t ) ，實現(xiàn)觀察點，觸發(fā)資源和系統(tǒng)分析( s y s t e m p r o f i l i n g ) 儀表跟蹤宏單元( i t m ) ，支持對p r i n t f 類型的調試 跟蹤端口的接口單元( t p i u ) ，用來連接跟蹤端口分析儀 可選的嵌入式跟蹤宏單元( e t m ) ，實現(xiàn)指令跟蹤 ( 2 ) c o r t e x m 3 內核工作流程 c o r t e x m 3 中央內核基于哈佛架構，指令和數(shù)據(jù)各使用一條總線。與c o r t e x m 3 不 同，a r m 7 系列處理器使用馮諾依曼( v o nn e u m a n n ) 架構，指令和數(shù)據(jù)共用信號總線 以及存儲器。由于指令和數(shù)據(jù)可以從存儲器中同時讀取，所以c o r t e x m 3 處理器對多個 操作并行執(zhí)行，加快了應用程序的執(zhí)行速度。 內核流水線分3 個階段：取指、譯碼和執(zhí)行。當遇到分支指令時，譯碼階段也包含 預測的指令取指，這提高了執(zhí)行的速度。處理器在譯碼階段期間自行對分支目的地指令 進行取指。在稍后的執(zhí)行過程中，處理完分支指令后便知道下一條要執(zhí)行的指令。如果 分支不跳轉，那么緊跟著的下一條指令隨時可供使用。如果分支跳轉，那么在跳轉的同 時分支指令可供使用，空閑時間限制為一個周期。c o r t e x - m 3 內核包含一個適用于傳統(tǒng) t h u m b 和新型t h u m b 一2 指令的譯碼器、一個支持硬件乘法和硬件除法的先進a l u 、控制邏 輯和用于連接處理器其他部件的接口。c o r t e x - m 3 處理器是一個3 2 位處理器，帶有3 2 位 寬的數(shù)據(jù)路徑，寄存器庫和存儲器接口。其中有1 3 個通用寄存器，兩個堆棧指針，一個 鏈接寄存器，一個程序計數(shù)器和一系列包含編程狀態(tài)寄存器的特殊寄存器。c o r t e x m 3 處理器支持兩種工作模式( 線程( t h r e a d ) 和處理器( h a n d l e r ) ) 和兩個等級的訪問 形式( 有特權或無特權) ，在不犧牲應用程序安全的前提下實現(xiàn)了對復雜的開放式系統(tǒng) 的執(zhí)行。無特權代碼的執(zhí)行限制或拒絕對某些資源的訪問，如某個指令或指定的存儲器 位置。t h r e a d 是常用的工作模式，它同時支持享有特權的代碼以及沒有特權的代碼。當 異常發(fā)生時，進入h a n d l e r 模式，在該模式中所有代碼都享有特權。此外，所有操作均 根據(jù)以下兩種工作狀態(tài)進行分類，t h u m b 代表常規(guī)執(zhí)行操作，d e b u g 代表調試操作。 1 2 西華大學碩士學位論文 ( 3 ) l m 3 s 8 9 6 2 最小系統(tǒng)電路 c p u 芯片的最小系統(tǒng)電路n 耵如圖3 4 所示，該電路除了c p u 以外還包括晶體振蕩器、 復位電路、c p u 電源以及以太網物理層接口的電路。其管腳有1 0 0 個，t q