基于嵌入式WinCE 6.0 的脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器軟件

前 言

脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器作為通用測試信號源，能夠產(chǎn)生脈沖、群脈沖和數(shù)據(jù)三種類型的信號輸出。參數(shù)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號和大容量、多樣化的數(shù)字信號，滿足了高速數(shù)字設備中噪聲容限的測試要求以及大型集成電路和射頻系統(tǒng)的設計初期對激勵信號源的需求。隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展以及廣泛應用，利用嵌入式操作系統(tǒng)支持進行智能儀器設備開發(fā)正成為主流。Win CE系統(tǒng)是美國微軟公司推出的一種32位嵌入式操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時、多任務、多線程操作，同時具備出色的圖形用戶界面。本文實現(xiàn)了一種以嵌入式WinCE 系統(tǒng)為支撐的脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器應用軟件設計。

1 系統(tǒng)設計方案

脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器系統(tǒng)結構如圖1所示，包括嵌入式系統(tǒng)、控制主板模塊、觸發(fā)模塊、時鐘模塊以及模擬通道輸出模塊。整個系統(tǒng)中，各個模塊按照一定作用互相支持，協(xié)調(diào)工作。

時鐘模塊能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需的連續(xù)可調(diào)、高精度的時鐘信號;觸發(fā)模塊用以接收外部觸發(fā)信號，實現(xiàn)與外部電路的同步;模擬通道輸出模塊實現(xiàn)對前級產(chǎn)生的脈沖和數(shù)據(jù)信號的幅度、電平、沿的控制與調(diào)整;控制主板模塊采用FPGA來構建主控制邏輯系統(tǒng)，實現(xiàn)觸發(fā)模式、時鐘頻率、脈沖產(chǎn)生和數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生等相關控制。

嵌入式系統(tǒng)以及運行于其上的應用軟件在整個系統(tǒng)結構中處于最前端。

通過儀器人機界面接收操作人員的指令并與后級的控制主板進行數(shù)據(jù)交換，最終由控制主板操控其后硬件模塊完成用戶指令，在模擬通道輸出端得到相應的脈沖信號和串行數(shù)據(jù)信號。為了滿足儀器設備實時性的要求，嵌入式操作系統(tǒng)選取WinCE 6.0,微處理器選擇三星公司的S3C2440A,其內(nèi)核為ARM920T,能夠滿足低價格、低功耗、高性能的需求。

2 人機界面開發(fā)軟件集成開發(fā)環(huán)境選取微軟公司提供的VisualStudio 2005.用于定制系統(tǒng)的Platform Builder for CE6.0 被作為插件集成到Visual Studio 2005 中，這樣定制操作系統(tǒng)和開發(fā)應用程序都在同一開發(fā)環(huán)境下，避免頻繁切換開發(fā)環(huán)境的麻煩。在完成WinCE 操作系統(tǒng)的定制、導出軟件開發(fā)包SDK之后，便可以進行驅(qū)動程序和應用程序的開發(fā)[4].脈沖發(fā)生器作為現(xiàn)代電子測量儀器，其軟件開發(fā)包含兩部分：界面設計以及功能設計。

界面是人機之間信息傳遞的橋梁，是儀器的重要組成部分。界面設計需要完成簡潔、友好的人機界面，用戶通過操作界面完成對儀器的控制。人機界面軟件流程如圖2所示。功能設計則是建立在硬件模塊的基礎之上，圍繞硬件模塊分別實現(xiàn)儀器系統(tǒng)各個功能。

系統(tǒng)啟動后，軟件開機自動運行，首先進行開機自檢，確認儀器各個硬件設備是否工作正常。然后主線程啟動，進行初始化工作，依次初始化所有工程變量，創(chuàng)建并初始化所有頁面為最近一次關機前的狀態(tài)。接著進入消息循環(huán)和建立錯誤信息報告循環(huán)。程序不斷檢測錯誤消息隊列看是否有錯誤發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤消息隊列有錯誤需要響應時，依次讀取并處理錯誤消息報告，轉而執(zhí)行相應的功能。比如用戶操作錯誤時，錯誤信息顯示就會彈出，提示用戶正確的操作方法，直至用戶操作正確。如果有鍵盤消息到達，則通過主線程交給相應的各個頁面去響應控件消息，達到與儀器操作人員進行信息交互的目的。整個人機界面設計基于CFormView類。鍵盤信息處理等模塊被設計成動態(tài)鏈接庫的形式，既節(jié)省了系統(tǒng)資源，同時也便于程序以后的維護和升級。

3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ転閷崿F(xiàn)脈沖/信號發(fā)生器上層應用軟件和底層硬件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。嵌入式WinCE6.0 操作系統(tǒng)通過對控制主板模塊進行操作，最終實現(xiàn)對各個硬件的控制。ARM 的GPIO 口操作可以實現(xiàn)此功能需求。S3C2440A 提供了130個通用IO 口。

GPIO 操作主要由端口配置寄存器GPXCON、端口數(shù)據(jù)寄存器GPXDAT、設置接口上拉電阻寄存器GPXUP(其中X表示對應的GPA到GPJ端口)等寄存器來實現(xiàn)。

在WinCE 6.0 系統(tǒng)下，將GPIO 的實地址(例如S3C2440A 的GPIO 的基地址為0X56000000)映射到虛擬地址空間(對應為0XB1600000)，通過對這段虛擬地址空間的操作，就能夠完成對GPIO或者其他片內(nèi)資源的控制、輸入輸出工作。在編程中需要使用到兩個關鍵函數(shù)VirtualAlLOC和VirtualCopy.首先通過VirtualAlloc來獲得一段虛擬地址空間的分配，然后VirtualCopy將一個虛擬地址綁定到一個物理地址上，從而實現(xiàn)對物理硬件的訪問。為了增強系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，WinCE 6.0加強了對虛擬地址訪問的限制，驅(qū)動被放到內(nèi)核空間下，使得WinCE6.0在應用程序中不能再直接對物理地址進行操作。雖然在上層應用程序中無法調(diào)用Virtu-alAlloc和VirtualCopy,但是可以在內(nèi)核態(tài)下編寫驅(qū)動程序，通過VirtualAlloc和VirtualCopy進行內(nèi)存映射，故在WinCE6.0 系統(tǒng)下，訪問物理地址可以采取的一種方法是：在內(nèi)核模式中編寫流驅(qū)動程序，將驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核后再下載到NandFlash中。相關代碼如下：

　　volatile S3C2440A_IOPReg *v_pIOPRegs;

　　/*申請空間*/

　　v_pIOPRegs=

　　(volatile S3C2440A_IOPReg *) VirtualAlLOC(0,

　　sizeof

　　(S3C2440A_IOPReg)，

　　MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);

　　i(f /*申請空間失敗*/)

　　{/*進行錯誤處理并返回*/

　　} else {/*進行映射*/

　　if (!VirtualCopy ( (PVOID) v_pIOPRegs, (PVOID)

　　(S3C2440A_IOBase》8) , sizeof (S3C2440A_IOPReg) ,

　　PAGE_READWRITE|PAGE_NOCACHE ))

　　{/

　　*如果映射失敗，釋放申請的空間并返回*/}}

S3C2440A整合了多種接口和總線?；谕ㄓ闷xnGCSn 的SRAM 接口具有配置簡單、邏輯控制信號少、尋址以及數(shù)據(jù)讀寫的速度高的特點，因此選擇nGCS2作為片選信號，同時搭配寫使能信號nWE 以及讀使能信號nOE完成對脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器單數(shù)據(jù)通道的操作。

nGCS2片選信號為低有效，對應的端口是PortA,其第13 位用來實現(xiàn)nGCS2 的控制，對應的配置寄存器是GPACON,數(shù)據(jù)寄存器是GPADAT,它們分別對應的物理地址為0X56000000 和0X56000004.當GPA13 設置成0時候，nGCS2為普通輸入輸出口;設制成1的時候，nGCS2成為使能信號。其他信號設置與此類似。在本項目中，nGCS2按照要求被設置成使能信號：

BWSCON 是總線位寬和延時控制寄存器，它可以用來配置8 b、16 b或者32 b的總線寬度。將其設置為32 b的總線寬度：

v_pMEMRegs - >rBWSCON=(v_pMEMRegs - >rBWSCON~(0XF《8))(| 0XE《8);驅(qū)動編譯到內(nèi)核的過程如下：在BSP中創(chuàng)建驅(qū)動文件夾并開發(fā)流驅(qū)動程序。完成后，再創(chuàng)建makefile 文件、模塊導出文件以及用于編譯的sources文件。最后在注冊表中添加GPIO 流驅(qū)動程序，將驅(qū)動添加到NK中，用Visual Studio 2005 中的Platform Builder 6.0 編譯得到NK.bin文件，下載到NandFlash中。

4 程序移植及系統(tǒng)測試

人機界面以及各功能模塊開發(fā)完成之后，需要進行應用程序的移植。ActiveSync 6.1可以實現(xiàn)連接裝有桌面Windows的PC機和WinCE設備。通過它可以使用串口、USB端口、以太網(wǎng)或紅外線連接在移動設備和PC之間創(chuàng)建同步關系。在本項目中，選擇使用USB口建立連接，這就需要首先安裝BSP下面的USB驅(qū)動。建立連接之后，將編譯好了的應用程序下載到定制好的WinCE 6.0系統(tǒng)中，即可實現(xiàn)應用程序在嵌入式WinCE 6.0系統(tǒng)中的運行。脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器功能包括多樣化觸發(fā)、時鐘發(fā)生、脈沖生成、脈沖參數(shù)可控、信號時延可控、串行數(shù)據(jù)發(fā)生等各項功能。利用嵌入式軟件編程實現(xiàn)的友好簡潔的人機界面如圖3所示。通過現(xiàn)場測試表明該軟件操作簡便，使用函數(shù)生成數(shù)據(jù)時界面刷新無明顯遲滯，具有一定健壯性，能有效處理用戶誤操作。圖4顯示為頻率設置成50 MHz、脈寬設置為1 ns 時，脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器輸出通道所輸出的脈沖波形。

5 結語

本文結合WinCE 6.0嵌入式系統(tǒng)，制定脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器軟件實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了脈沖/數(shù)據(jù)發(fā)生器界面設計、嵌入式應用程序移植、上層軟件與底層硬件的數(shù)據(jù)通信等工作。經(jīng)過實際測試及運行，開發(fā)的脈沖發(fā)生器軟件平臺運行穩(wěn)定，界面簡潔美觀且易于操作，上層應用軟件功能齊全，系統(tǒng)的實時響應能力達到儀器的設計要求。