由uClinux與MC68VZ328構(gòu)成數(shù)字存儲示波器
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 數(shù)字存儲示波器 FIFO 多任務(wù)
數(shù)字存儲示波器是一種具有數(shù)據(jù)存儲、預(yù)觸發(fā)、波形存儲、便于與PC機通信等特點和優(yōu)點的便攜式智能儀器，廣泛應(yīng)用于機械故障檢查、野外作業(yè)、工業(yè)現(xiàn)場等。本文介紹的便攜式數(shù)字存儲示波器構(gòu)建于嵌入式μClinux操作系統(tǒng)平臺之上，采用Motorola公司的龍珠系列MC68VZ328（以下簡稱VZ328）芯片作為處理器，采樣頻率與放大幅度可通過觸摸屏調(diào)節(jié)；系統(tǒng)成本低、操作簡單，可實現(xiàn)采集、存儲和分析功能，具有實際應(yīng)用前景。
1 嵌入式系統(tǒng)簡介
1.1 嵌入式μClinux系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經(jīng)過小型化裁減后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)存儲器芯片或單片機中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個熱點。
本文介紹的系統(tǒng)采用一種優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)——μClinux。它主要面對non-MMU的處理器，其主要特征為[1]：
①是一個多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)；
②內(nèi)核小，只有512K左右；
③同Linux系統(tǒng)的API保持一致；
④繼承了Linux系統(tǒng)成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；
⑤支持一些主要的文件系統(tǒng)，如：FAT、EXT2、ROMFS、JFFS。
1.2 處理器簡介
圖2 FIFO工作時序
VZ328是Motorola公司MC68328 CPU家庭龍珠系列中的第一款。VZ328基于Motorola FLX68K核，內(nèi)部還集成了控制邏輯和SDRAM、LCD、SPI、UART、定時器/PWM和多達(dá)76位的通用I/O（GPIO）。運行在33MHz時，VZ328處理能力為5.4MIPS。該處理器主要針對外部設(shè)備較少的手持設(shè)備，工作電壓為3.3V。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
圖1中，ADC采用的是Philips公司的8位高速并行A/D，最高采樣頻率為40Msps。采用的是IDT公司1024×9位先進(jìn)先出FIFO存儲器。由于該款FIFO的最高存取速度為35ns，為了保證系統(tǒng)40Msps的采樣頻率，我們通過使用雙FIFO與A/D相連接，A/D輸出的數(shù)據(jù)輪流存入FIFO A和FIFO B中來保證整個系統(tǒng)的性能。采樣信號與FIFO存儲器讀和寫的工作時序如圖2所示。VZ328與采集卡之間的接口詳見2.2節(jié)。
2.2 系統(tǒng)接口設(shè)計
系統(tǒng)使用了VZ328的I/O端口讀取數(shù)據(jù)并發(fā)出控制信號。具體方案如圖3所示。
系統(tǒng)利用J口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，利用D口和G口來進(jìn)行控制。J口在輸入數(shù)據(jù)進(jìn)要求該口的方向寄存器PJDIR置為0，在輸出數(shù)據(jù)時要求PJDIR置為1。采集的信號經(jīng)過A/D變換后首先進(jìn)入FIFO存儲器，當(dāng)從FIFO中每讀出一個數(shù)據(jù)后需要再向其發(fā)送一個讀數(shù)脈沖信號，這樣才能保證正確讀出下一個單元內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)。該讀數(shù)脈沖由G口的第四位PG4給出。數(shù)據(jù)從FIFO存儲器中被讀出后經(jīng)過鎖存器進(jìn)入端口J的數(shù)據(jù)寄存器PJDATA中，鎖存信號由D口的第四位PD4給出。當(dāng)CPU讀周期到來時，數(shù)據(jù)由端口被讀入內(nèi)存。采樣頻率控制信號由J口的J5、J6、J7三位輸出，數(shù)據(jù)采集復(fù)位信號RESET由J口的J0位輸出，兩者的鎖存信號均由D口的PD5給出。類似地，幅值控制信號由J口的J0、J1、J2三位輸出，鎖存信號由D口的PD7給出。此外，每當(dāng)數(shù)據(jù)采滿1K時，F(xiàn)IFO存儲器會產(chǎn)生一個中斷信號INT。該信號由D口的PD6輸入。
2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
基于嵌入式Linux的數(shù)字示波器系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集和存儲模塊、波形顯示和刷新模塊以及觸摸屏控制模塊三個部分。系統(tǒng)軟件由Linux下的C語言編程實現(xiàn)。
（1）數(shù)據(jù)采集和存儲模塊
采集存儲模塊流程如圖4所示。
系統(tǒng)首先向采集卡發(fā)送所要求的頻率和幅值信號，然后發(fā)出復(fù)位信號RESET，采集卡開始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO存儲器，由J口讀入內(nèi)存并存入指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之中。在存儲過程中，采用了雙緩沖區(qū)機制，數(shù)據(jù)按1K大小分塊，相鄰的兩塊數(shù)據(jù)交替存放在內(nèi)存的不同區(qū)域中。在每讀入1K個數(shù)據(jù)之后，內(nèi)存中都存在連續(xù)的2K個采樣數(shù)據(jù)，這樣有助于以后對數(shù)據(jù)的處理和顯示。
（2）波形顯示和刷新模塊
本系統(tǒng)中使用一塊大小為240×320像素的黑白液晶顯示屏。VZ328為LCD的控制提供了良好的支持，其實現(xiàn)主要通過LCD控制器完成。
存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)變換之后就可以在LCD上進(jìn)行顯示了。在顯示之前，因為LCD的坐標(biāo)系與顯示波形時所用的坐標(biāo)系y軸方向相反，且需要將波形顯示在屏幕的特定區(qū)域內(nèi)，所以要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。從端口讀入數(shù)據(jù)的范圍為0～0XFF，0點對應(yīng)于LCD上y軸坐標(biāo)的190，0XFF對應(yīng)于LCD上y軸坐標(biāo)的50，則0X7F對應(yīng)于LCD上坐標(biāo)為120的點，即屏幕顯示的零點。相應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式為
Y=120-(DATA-0X7F)×70/0X7F
其中DATA為從端口讀入的數(shù)據(jù)；
Y是DATA在LCD上顯示的y坐標(biāo)。
LCD一屏可以顯示300個數(shù)據(jù)點，點與點之間用矢量法直線相連。
（3）觸摸屏控制模塊
觸摸屏是附著在LCD表面的一層透明薄膜，它將壓力轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被采樣。觸摸屏的工作流程如圖5所示。
觸摸屏通過中斷方式完成其功能。從執(zhí)行流程上來說，首先在TouchPanel_init()中完成兩件事：注冊驅(qū)動程序和注冊中斷。
對于觸摸屏設(shè)備，主設(shè)備號為58，設(shè)備名為“ts7843”，驅(qū)動程序子函數(shù)集為TouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release
四個操作子函數(shù)的地址依次為
ReadTouchPanel、TouchPanelSelect、OpenTouchPanel和CloseTouchPanel。
當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用open()打開/dev/ts7843時，內(nèi)核調(diào)用OpenTouchPanel()；用戶進(jìn)程調(diào)用read()讀該設(shè)備時，內(nèi)核調(diào)用ReadTouchPanel()。request_irq()注冊中斷處理，中斷為TOUCHPANEL_IRQ_UNM，中斷處理程序為TouchPanelInterrupt（），說明為“TouchPanel”。
當(dāng)觸摸屏有數(shù)據(jù)來到時，中斷被觸發(fā)，調(diào)用中斷處理程序，準(zhǔn)備處理數(shù)據(jù)。
在本系統(tǒng)中，觸摸屏主要用于改變采樣的頻率和幅值放大倍數(shù)。在LCD的上方有四個長方形區(qū)域，分別對應(yīng)著幅值增加、幅值減小、頻率增加和頻率減小。
幅值和頻率的選定值存放在指定內(nèi)存單元中，在觸摸屏檢測到觸摸點的坐標(biāo)在相應(yīng)區(qū)域中后，就會根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定好的順序和數(shù)值為增加或減少幅值或頻率。
2.4 μClinux多任務(wù)系統(tǒng)與共享內(nèi)存管理
在傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)中，軟件往往是個控制環(huán)，讓多個功能模塊按順序執(zhí)行。在一個功能較多的系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的各項性能，程序會變得越來越復(fù)雜和龐大。由于μClinux是一個多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核允許將一項工作劃分成幾個相互獨立的任務(wù)，應(yīng)用程序的設(shè)計得到了簡化；更重要的是縮小了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)字存儲示波器的設(shè)計需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對于這樣的系統(tǒng)來說，應(yīng)盡可能地少丟失數(shù)據(jù)采樣點。在μClinux中可同時運行多個任務(wù)，且前臺任務(wù)比后臺任務(wù)具有較高的優(yōu)先級，因此，合理的方案是將采集部分和顯示部分安排在前臺，而將觸摸屏控制部分放在后臺運行。這樣可以保證整個系統(tǒng)有效地完成各項功能。
數(shù)字示波器在采樣和顯示過程中，要求可以隨時改變采樣頻率和幅值，所以在前后臺任務(wù)之間需要進(jìn)行同步和通信。任務(wù)之間的通信是通過共享指定的物理內(nèi)存單元來實現(xiàn)，不同任務(wù)之間對共享內(nèi)存單元的訪問是互斥的。ΜClinux的設(shè)計針對沒有MMU的處理器，不能使用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)。ΜClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的址都是實際的物理地址，操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒保護。當(dāng)觸摸屏檢測到有改變幅值或頻率的信號發(fā)生時，就去修改指定單元中存儲的數(shù)據(jù)，這樣的內(nèi)存單元對于兩個任務(wù)來說屬于臨界資源。在觸摸屏修改內(nèi)存期間，需要禁止其它程序?qū)υ搩?nèi)存進(jìn)行任何操作。同樣，采集程序每次在發(fā)送幅值和頻率信號之前，要對該內(nèi)存單元進(jìn)行讀操作。若在此時有觸摸屏信號對內(nèi)存提出寫操作要求，程序就應(yīng)該進(jìn)行等待，直到采集部分的讀操作執(zhí)行完畢，釋放內(nèi)存的訪問權(quán)。
3 結(jié)論及展望
經(jīng)實踐證明，基于嵌入式Linux的40MHz數(shù)字存儲示波器的設(shè)計，是具有一定可用性及可靠性的。在目前已有功能的基礎(chǔ)上，我們還將開發(fā)頻譜分析等更多的功能。整個系統(tǒng)設(shè)計體現(xiàn)了嵌入式Linux系統(tǒng)適應(yīng)性強、體積小、成本低、開放源代碼、開發(fā)使用容易等特點。由于使用了μClinux，系統(tǒng)的控制邏輯結(jié)構(gòu)清晰，與普通的單片機系統(tǒng)相比，在對功能的進(jìn)一步擴展、移植及接入網(wǎng)絡(luò)等方面都有著極大的優(yōu)勢。
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