由uClinux與MC68VZ328構(gòu)成數(shù)字存儲(chǔ)示波器

摘要：介紹嵌入式μClinux操作系統(tǒng);在該操作系統(tǒng)上使用Motorola MC68VZ328 CPU、FIFO存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器;在軟件實(shí)現(xiàn)上，利用μUlinux的多任務(wù)特性。系統(tǒng)最大采樣頻率為40MHz，具有LCD顯示和觸摸屏界面。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 FIFO 多任務(wù) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是一種具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)觸發(fā)、波形存儲(chǔ)、便于與PC機(jī)通信等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的便攜式智能儀器，廣泛應(yīng)用于機(jī)械故障檢查、野外作業(yè)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等。本文介紹的便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器構(gòu)建于嵌入式μClinux操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，采用Motorola公司的龍珠系列MC68VZ328(以下簡(jiǎn)稱 VZ328)芯片作為處理器，采樣頻率與放大幅度可通過(guò)觸摸屏調(diào)節(jié);系統(tǒng)成本低、操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)和分析功能，具有實(shí)際應(yīng)用前景。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式 Linux(Embedded Linux)是指對(duì)Linux經(jīng)過(guò)小型化裁減后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。 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(duì)non-MMU的處理器，其主要特征為[1]： ①是一個(gè)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(jiǎn)介 圖2 FIFO工作時(shí)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(shí)器/PWM和多達(dá)76位的通用I/O(GPIO)。運(yùn)行在33MHz 時(shí)，VZ328處理能力為5.4MIPS。該處理器主要針對(duì)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%26;#215;9位先進(jìn)先出FIFO存儲(chǔ)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(guò)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(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的性能。采樣信號(hào)與FIFO存儲(chǔ)器讀和寫(xiě)的工作時(shí)序如圖2所示。VZ328與采集卡之間的接口詳見(jiàn)2.2節(jié)。 2.2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì) 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(hào)。具體方案如圖3所示。 系統(tǒng)利用J口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，利用D口和G口來(lái)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(shí)要求PJDIR置為 1。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換后首先進(jìn)入FIFO存儲(chǔ)器，當(dāng)從FIFO中每讀出一個(gè)數(shù)據(jù)后需要再向其發(fā)送一個(gè)讀數(shù)脈沖信號(hào)，這樣才能保證正確讀出下一個(gè)單元內(nèi)存儲(chǔ)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(chǔ)器中被讀出后經(jīng)過(guò)鎖存器進(jìn)入端口J的數(shù)據(jù)寄存器PJDATA中，鎖存信號(hào)由D口的第四位PD4給出。當(dāng)CPU讀周期到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)由端口被讀入內(nèi)存。采樣頻率控制信號(hào)由J口的J5、J6、J7三位輸出，數(shù)據(jù)采集復(fù)位信號(hào)RESET由J 口的J0位輸出，兩者的鎖存信號(hào)均由D口的PD5給出。類似地，幅值控制信號(hào)由J口的J0、J1、J2三位輸出，鎖存信號(hào)由D口的PD7給出。此外，每當(dāng)數(shù)據(jù)采滿1K時(shí)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)INT。該信號(hào)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(chǔ)模塊、波形顯示和刷新模塊以及觸摸屏控制模塊三個(gè)部分。系統(tǒng)軟件由Linux下的C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。 (1)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊 采集存儲(chǔ)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(hào)，然后發(fā)出復(fù)位信號(hào)RESET，采集卡開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FIFO存儲(chǔ)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(chǔ)過(guò)程中，采用了雙緩沖區(qū)機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)之后，內(nèi)存中都存在連續(xù)的2K個(gè)采樣數(shù)據(jù)，這樣有助于以后對(duì)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%26;#215;320像素的黑白液晶顯示屏。VZ328為L(zhǎng)CD的控制提供了良好的支持，其實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)LCD控制器完成。

存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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?yàn)長(zhǎng)CD的坐標(biāo)系與顯示波形時(shí)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(duì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)于LCD上y軸坐標(biāo)的190，0XFF對(duì)應(yīng)于LCD上 y軸坐標(biāo)的50，則0X7F對(duì)應(yīng)于LCD上坐標(biāo)為120的點(diǎn)，即屏幕顯示的零點(diǎn)。相應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式為 Y=120-(DATA-0X7F)%26;#215;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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)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(hào)，模擬信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(guò)中斷方式完成其功能。從執(zhí)行流程上來(lái)說(shuō)，首先在TouchPanel_init()中完成兩件事：注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序和注冊(cè)中斷。 對(duì)于觸摸屏設(shè)備，主設(shè)備號(hào)為58，設(shè)備名為“ts7843”，驅(qū)動(dòng)程序子函數(shù)集為TouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release 四個(gè)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(kāi)/dev/ts7843時(shí)，內(nèi)核調(diào)用OpenTouchPanel();用戶進(jìn)程調(diào)用read()讀該設(shè)備時(shí)，內(nèi)核調(diào)用 ReadTouchPanel()。request_irq()注冊(cè)中斷處理，中斷為TOUCHPANEL_IRQ_UNM，中斷處理程序?yàn)? TouchPanelInterrupt()，說(shuō)明為“TouchPanel”。 當(dāng)觸摸屏有數(shù)據(jù)來(lái)到時(shí)，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(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)著幅值增加、幅值減小、頻率增加和頻率減小。[!--empirenews.page--]

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(cè)到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)在相應(yīng)區(qū)域中后，就會(huì)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(jī)系統(tǒng)中，軟件往往是個(gè)控制環(huán)，讓多個(gè)功能模塊按順序執(zhí)行。在一個(gè)功能較多的系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，程序會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜和龐大。由于μClinux是一個(gè)多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核允許將一項(xiàng)工作劃分成幾個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化;更重要的是縮小了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于這樣的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能地少丟失數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。在μClinux中可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，且前臺(tái)任務(wù)比后臺(tái)任務(wù)具有較高的優(yōu)先級(jí)，因此，合理的方案是將采集部分和顯示部分安排在前臺(tái)，而將觸摸屏控制部分放在后臺(tái)運(yùn)行。這樣可以保證整個(gè)系統(tǒng)有效地完成各項(xiàng)功能。 數(shù)字示波器在采樣和顯示過(guò)程中，要求可以隨時(shí)改變采樣頻率和幅值，所以在前后臺(tái)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(guò)共享指定的物理內(nèi)存單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同任務(wù)之間對(duì)共享內(nèi)存單元的訪問(wèn)是互斥的。ΜClinux的設(shè)計(jì)針對(duì)沒(méi)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(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，它對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問(wèn)的址都是實(shí)際的物理地址，操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)保護(hù)。當(dāng)觸摸屏檢測(cè)到有改變幅值或頻率的信號(hào)發(fā)生時(shí)，就去修改指定單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這樣的內(nèi)存單元對(duì)于兩個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)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(hào)之前，要對(duì)該內(nèi)存單元進(jìn)行讀操作。若在此時(shí)有觸摸屏信號(hào)對(duì)內(nèi)存提出寫(xiě)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(wèn)權(quán)。 3 結(jié)論及展望 經(jīng)實(shí)踐證明，基于嵌入式Linux的40MHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)，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(kāi)發(fā)頻譜分析等更多的功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了嵌入式Linux系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、成本低、開(kāi)放源代碼、開(kāi)發(fā)使用容易等特點(diǎn)。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(jī)系統(tǒng)相比，在對(duì)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展、移植及接入網(wǎng)絡(luò)等方面都有著極大的優(yōu)勢(shì)。