基于DSP的數(shù)字存儲示波器顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
目前，數(shù)字存儲示波器的顯示器主要采用LCD(液晶顯示)和CRT來完成。LCD顯示器價格高，一般用于高檔的數(shù)字存儲示波器中。在許多場合，對顯示并沒有很高的要求，故在中低檔示波器中，CRT顯示器仍占主流。CRT顯示器又分為兩類：隨機(jī)掃描式和光柵掃描式。前者的缺點(diǎn)在于難以生成具有多種灰度連續(xù)變化的圖形，應(yīng)用面?。欢笳邚V泛應(yīng)用在各種場合。基于此研制一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低廉、通用性強(qiáng)、應(yīng)用小型光柵掃描式顯示器的DSO顯示控制板是非常必要的。本系統(tǒng)就是應(yīng)要求開發(fā)的具有四級灰度的DSO顯示控制板。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)字存儲示波器顯示控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
整個系統(tǒng)可劃分為主機(jī)接口電路、數(shù)據(jù)處理電路、顯示控制電路三個部分。DSP通過主機(jī)接口取得前端控制信息及相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為屏幕上的邏輯坐標(biāo)。隨后，DSP根據(jù)主機(jī)要求，將相應(yīng)控制信息傳送給顯示控制芯片(ACRTC)。ACRTC將邏輯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示存儲器中對應(yīng)的物理地址，并對顯示存儲器進(jìn)行刷新。在點(diǎn)時鐘的控制下，兩片74HC166分別將顯示存儲器中16位并行數(shù)據(jù)的偶數(shù)位和奇數(shù)位轉(zhuǎn)換為串行點(diǎn)數(shù)據(jù)。兩組對應(yīng)移出的點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個像素的視頻數(shù)字信號,再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，就形成具有四級灰度的視頻信號；這樣在ACRTC提供的行、場同步及消隱信號的配合下，就可控制顯示器進(jìn)行顯示。
2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)
2.1 主機(jī)接口電路
主機(jī)接口主要由DSP自身的主機(jī)接口及多處理器信號端共同構(gòu)成。
TMS320VC5409的主機(jī)接口為標(biāo)準(zhǔn)型主機(jī)接口(HPI-8)，其主要電路由HPI存儲器(DARAM)、HPI地址寄存器(HPIA)、HPI數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)、HPI控制寄存器(HPIC)及HPI控制邏輯構(gòu)成。在TMS320VC5409與主機(jī)連接時，HPI作為主機(jī)的一個外部設(shè)備。
HPI-8提供8位數(shù)據(jù)寬度，在接收主機(jī)數(shù)據(jù)時，HPI-8能自動地將外部接口傳送的8位數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)據(jù)，然后傳送給DSP。在該系統(tǒng)中，HPI-8占用8個主機(jī)外設(shè)地址。通過選擇不同的低三位地址可對HPI-8的不同寄存器進(jìn)行訪問。
多處理器信號XF用于避免主機(jī)和DSP對HPI-8訪問時可能產(chǎn)生的時間上的沖突——在DSP完整讀取一組數(shù)據(jù)之前，主機(jī)已將其中某些數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，這樣DSP獲得的是一組錯誤的序列。
多處理器信號BIO用于配合DSP指令XC(該指令可根據(jù)BIO電平的高低改變程序的流向)判斷該次傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)幀還是指令幀，并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。
同時，主機(jī)和DSP之間還可以通過主機(jī)接口相互發(fā)送中斷請求，而不需要添加任何外部電路，只需修改HPIC中相應(yīng)的狀態(tài)位便可實(shí)現(xiàn)。
2.2 數(shù)據(jù)處理電路
這里，核心器件使用TI公司的高性能DSP——TMS320VC5409-100。TMS320VC5409定點(diǎn)數(shù)字信號處理芯片采用六級流水線和一套專用的指令集，最高處理能力可達(dá)100MIPS，其功耗低、性價比高。TMS320VC5409片內(nèi)只有32K雙尋址RAM和16K ROM，無法滿足系統(tǒng)需求，故外擴(kuò)了一片256K×16bit容量的SST39VF400，配置相應(yīng)空間用于存儲程序、菜單和字模。由于采用了DSP作微處理器，因而容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字存儲示波器軟件功能的升級，以不斷滿足市場對示波器數(shù)據(jù)處理能力的要求。
2.3 顯示控制電路
顯示控制部分包括顯示控制芯片HD63484、顯示存儲器、并/串轉(zhuǎn)換電路和D/A電路等。
顯示控制芯片采用HITACHI公司的HD63484-P8。這是一款典型的第二代通用型高級顯示控制芯片，具有以下特征：
·豐富的畫圖命令，包括畫點(diǎn)、直線、折線、矩形、多邊形、圓/弧以及區(qū)域填充等。
·可控制的顯示存儲器最大可達(dá)2M字節(jié)，字符RAM最大可達(dá)128K字節(jié)。
·畫圖速度快，畫圖命令可直接使用X-Y坐標(biāo)，與存儲器物理地址的對應(yīng)關(guān)系由硬件自動計(jì)算完成。
·內(nèi)有16×16像素圖案RAM，在指定點(diǎn)畫圖符或者寫漢字均非常方便。
·顯示屏幕可分為上、中、下三個顯示分區(qū)和一個窗口，其位置和大小可以任意設(shè)定，還可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的平滑滾動。
·圖形允許水平或垂直方向放大1～16倍。
HD63484作為標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備與MPU連接，占用兩個MPC的I/O空間。HD63484不具備指令存儲器，僅有一個很小的指令緩沖區(qū)(16字FIFO，8字讀，8字寫)，因而不能對其進(jìn)行獨(dú)立的編程控制，必須由其它芯片完成。高速的DSP可完成這一工作。DSP接收主機(jī)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要控制HD63484進(jìn)行所需的顯示控制工作。因此，對HD63484的控制實(shí)際上也就變?yōu)榱藢SP的編程。DSP是通過發(fā)送命令和參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對HD63484的控制(以HD63484指定的命令和參數(shù)的形式)的。
另外，考慮到DSP I/O部分的工作電壓為3.3V，而HD63484工作電壓為5V，故在它們之間接了電平轉(zhuǎn)換芯片。
顯示存儲器用于存儲經(jīng)HD63484處理后的數(shù)據(jù)，用一個字的相鄰兩位構(gòu)成一個像素的灰度數(shù)據(jù)，兩位共有四種組合，因而可構(gòu)成四級灰度，便于波形比較。并/串轉(zhuǎn)換電路在點(diǎn)時鐘的控制下將顯存中的數(shù)據(jù)串行移出,經(jīng)過D/A電路轉(zhuǎn)換后送往顯示器。
由于灰度較少，這里的D/A電路僅需進(jìn)行兩位的D/A轉(zhuǎn)換；但同時又對速度要求較高，故需高速的DAC才能滿足要求。本系統(tǒng)沒有采用專用的集成器件，而是利用基本數(shù)字及模擬器件構(gòu)成，避免了不必要的資源浪費(fèi)，且效果良好。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
3.1 主機(jī)與顯示控制板通訊的協(xié)議流程
前端主機(jī)通訊流程如圖2所示，顯示控制板通訊流程如圖3所示。
3.2 幀結(jié)構(gòu)及幀處理程序流程
需傳送的幀可分為兩種：數(shù)據(jù)幀、控制幀。
數(shù)據(jù)幀用來傳輸波形的采樣數(shù)據(jù)，其基本結(jié)構(gòu)為：
對于控制幀類型示波器，由于其顯示要求相對簡單，只要求能夠同時顯示兩路波形及簡單的菜單，故可對其顯示內(nèi)容進(jìn)行分塊。每一模塊對應(yīng)一自定義變量，主機(jī)只需修改相應(yīng)的變量值，便可實(shí)現(xiàn)對顯示的控制。其基本結(jié)構(gòu)為：
數(shù)據(jù)幀處理程序流程如圖4所示，控制幀處理程序流程如圖5所示。
數(shù)據(jù)幀處理程序只進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，并不進(jìn)行任何顯示控制工作?？刂茙幚沓绦蚋鶕?jù)主機(jī)所要求的顯示方式對各個變量進(jìn)行修改，并驅(qū)動HD63484實(shí)現(xiàn)對屏幕的刷新。
考慮到本文系統(tǒng)所需漢字、字符較少，這里將漢字、字符統(tǒng)一按圖形處理，因而將HD63484設(shè)置為圖形工作方式，簡化了結(jié)構(gòu)。可以將本顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字存儲示波器的顯示控制中，其設(shè)計(jì)思路具有一定的通用性。通過修改DSP軟件，該顯示控制板可與各種MPU或主機(jī)相連。本顯示控制系統(tǒng)能應(yīng)用于多種場合，特別是在計(jì)算機(jī)化的測量儀器和工業(yè)控制領(lǐng)域，作為顯示部件,能以更直觀的方式顯示出測量結(jié)果和菜單。
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