基于DSP的數(shù)字存儲(chǔ)示波器顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，它具有很多的優(yōu)點(diǎn)。DSO的基本思想就是通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的示波器所不具備的功能，如長(zhǎng)期存儲(chǔ)波形、顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息、根據(jù)程序進(jìn)行全自動(dòng)的測(cè)量、將波形輸出到打印機(jī)或繪圖儀上或?qū)⒉ㄐ蝹魉徒o計(jì)算機(jī)、將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法加入到程序中等。
　　目前，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示器主要采用LCD(液晶顯示)和CRT來(lái)完成。LCD顯示器價(jià)格高，一般用于高檔的數(shù)字存儲(chǔ)示波器中。在許多場(chǎng)合，對(duì)顯示并沒(méi)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(chǎng)合。基于此研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)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(jí)灰度的DSO顯示控制板。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　數(shù)字存儲(chǔ)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(gè)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(gè)部分。DSP通過(guò)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(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的物理地址，并對(duì)顯示存儲(chǔ)器進(jìn)行刷新。在點(diǎn)時(shí)鐘的控制下，兩片74HC166分別將顯示存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)移出的點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)像素的視頻數(shù)字信號(hào),再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，就形成具有四級(jí)灰度的視頻信號(hào)；這樣在ACRTC提供的行、場(chǎng)同步及消隱信號(hào)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(hào)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(chǔ)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(shí)，HPI作為主機(jī)的一個(gè)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(shí)，HPI-8能自動(dòng)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(gè)主機(jī)外設(shè)地址。通過(guò)選擇不同的低三位地址可對(duì)HPI-8的不同寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。
　　多處理器信號(hào)XF用于避免主機(jī)和DSP對(duì)HPI-8訪問(wèn)時(shí)可能產(chǎn)生的時(shí)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(cuò)誤的序列。
　　多處理器信號(hào)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(shí)，主機(jī)和DSP之間還可以通過(guò)主機(jī)接口相互發(fā)送中斷請(qǐng)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(hào)處理芯片采用六級(jí)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(jià)比高。TMS320VC5409片內(nèi)只有32K雙尋址RAM和16K ROM，無(wú)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(chǔ)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(chǔ)示波器軟件功能的升級(jí)，以不斷滿足市場(chǎng)對(duì)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(chǔ)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(jí)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(chǔ)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(chǔ)器物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系由硬件自動(dòng)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(gè)顯示分區(qū)和一個(gè)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(dòng)。
　　·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(gè)MPC的I/O空間。HD63484不具備指令存儲(chǔ)器，僅有一個(gè)很小的指令緩沖區(qū)(16字FIFO，8字讀，8字寫)，因而不能對(duì)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(duì)HD63484的控制實(shí)際上也就變?yōu)榱藢?duì)DSP的編程。DSP是通過(guò)發(fā)送命令和參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)器用于存儲(chǔ)經(jīng)HD63484處理后的數(shù)據(jù)，用一個(gè)字的相鄰兩位構(gòu)成一個(gè)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(jí)灰度，便于波形比較。并/串轉(zhuǎn)換電路在點(diǎn)時(shí)鐘的控制下將顯存中的數(shù)據(jù)串行移出,經(jīng)過(guò)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(shí)又對(duì)速度要求較高，故需高速的DAC才能滿足要求。本系統(tǒng)沒(méi)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(lái)傳輸波形的采樣數(shù)據(jù)，其基本結(jié)構(gòu)為：
　　對(duì)于控制幀類型示波器，由于其顯示要求相對(duì)簡(jiǎn)單，只要求能夠同時(shí)顯示兩路波形及簡(jiǎn)單的菜單，故可對(duì)其顯示內(nèi)容進(jìn)行分塊。每一模塊對(duì)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(duì)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(duì)各個(gè)變量進(jìn)行修改，并驅(qū)動(dòng)HD63484實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)?？梢詫⒈撅@示控制系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字存儲(chǔ)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(guò)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(chǎng)合，特別是在計(jì)算機(jī)化的測(cè)量?jī)x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(cè)量結(jié)果和菜單。