由uClinux與MC68VZ328構成數字存儲示波器
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關(guān)鍵詞：嵌入式系統 數字存儲示波器 FIFO 多任務(wù)
數字存儲示波器是一種具有數據存儲、預觸發(fā)、波形存儲、便于與PC機通信等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的便攜式智能儀器，廣泛應用于機械故障檢查、野外作業(yè)、工業(yè)現場(chǎng)等。本文介紹的便攜式數字存儲示波器構建于嵌入式μClinux操作系統平臺之上，采用Motorola公司的龍珠系列MC68VZ328（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VZ328）芯片作為處理器，采樣頻率與放大幅度可通過(guò)觸摸屏調節；系統成本低、操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現采集、存儲和分析功能，具有實(shí)際應用前景。
1 嵌入式系統簡(jiǎn)介
1.1 嵌入式μClinux系統
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可裁減，適用于系統對功能、可靠性、成本、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經(jīng)過(guò)小型化裁減后，能夠固化在容量只有幾百K字節存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場(chǎng)合的專(zhuān)用Linux操作系統。嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)和研究是目前操作系統領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。
本文介紹的系統采用一種優(yōu)秀的嵌入式操作系統――μClinux。它主要面對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；
②內核小，只有512K左右；
③同Linux系統的API保持一致；
④繼承了Linux系統成熟的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧；
⑤支持一些主要的文件系統，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，內部還集成了控制邏輯和SDRAM、LCD、SPI、UART、定時(shí)器/PWM和多達76位的通用I/O（GPIO）。運行在33MHz時(shí)，VZ328處理能力為5.4MIPS。該處理器主要針對外部設備較少的手持設備，工作電壓為3.3V。
2 系統構成
2.1 系統組成
系統組成框圖如圖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10249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輸出的數據輪流存入FIFO A和FIFO B中來(lái)保證整個(gè)系統的性能。采樣信號與FIFO存儲器讀和寫(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。
2.2 系統接口設計
系統使用了VZ328的I/O端口讀取數據并發(fā)出控制信號。具體方案如圖3所示。
系統利用J口實(shí)現數據的輸入輸出，利用D口和G口來(lái)進(jìn)行控制。J口在輸入數據進(jìn)要求該口的方向寄存器PJDIR置為0，在輸出數據時(shí)要求PJDIR置為1。采集的信號經(jīng)過(guò)A/D變換后首先進(jìn)入FIFO存儲器，當從FIFO中每讀出一個(gè)數據后需要再向其發(fā)送一個(gè)讀數脈沖信號，這樣才能保證正確讀出下一個(gè)單元內存儲的數據。該讀數脈沖由G口的第四位PG4給出。數據從FIFO存儲器中被讀出后經(jīng)過(guò)鎖存器進(jìn)入端口J的數據寄存器PJDATA中，鎖存信號由D口的第四位PD4給出。當CPU讀周期到來(lái)時(shí)，數據由端口被讀入內存。采樣頻率控制信號由J口的J5、J6、J7三位輸出，數據采集復位信號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(lèi)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，每當數據采滿(mǎn)1K時(shí)，FIFO存儲器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷信號INT。該信號由D口的PD6輸入。
基于嵌入式Linux的數字示波器系統主要分為數據采集和存儲模塊、波形顯示和刷新模塊以及觸摸屏控制模塊三個(gè)部分。系統軟件由Linux下的C語(yǔ)言編程實(shí)現。
（1）數據采集和存儲模塊
采集存儲模塊流程如圖4所示。
系統首先向采集卡發(fā)送所要求的頻率和幅值信號，然后發(fā)出復位信號RESET，采集卡開(kāi)始采集數據。采集到的數據經(jīng)過(guò)FIFO存儲器，由J口讀入內存并存入指定數據緩沖區之中。在存儲過(guò)程中，采用了雙緩沖區機制，數據按1K大小分塊，相鄰的兩塊數據交替存放在內存的不同區域中。在每讀入1K個(gè)數據之后，內存中都存在連續的2K個(gè)采樣數據，這樣有助于以后對數據的處理和顯示。
（2）波形顯示和刷新模塊
本系統中使用一塊大小為240320像素的黑白液晶顯示屏。VZ328為L(cháng)CD的控制提供了良好的支持，其實(shí)現主要通過(guò)LCD控制器完成。
Y=120-(DATA-0X7F)70/0X7F
其中DATA為從端口讀入的數據；
Y是DATA在LCD上顯示的y坐標。
LCD一屏可以顯示300個(gè)數據點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間用矢量法直線(xiàn)相連。
（3）觸摸屏控制模塊
觸摸屏是附著(zhù)在LCD表面的一層透明薄膜，它將壓力轉換成模擬電信號，模擬信號再經(jīng)過(guò)A/D轉換被采樣。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。從執行流程上來(lái)說(shuō)，首先在TouchPanel_init()中完成兩件事：注冊驅動(dòng)程序和注冊中斷。
對于觸摸屏設備，主設備號為58，設備名為“ts7843”，驅動(dòng)程序子函數集為T(mén)ouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release
四個(gè)操作子函數的地址依次為
ReadTouchPanel、TouchPanelSelect、OpenTouchPanel和CloseTouchPanel。
當用戶(hù)進(jìn)程調用open()打開(kāi)/dev/ts7843時(shí)，內核調用OpenTouchPanel()；用戶(hù)進(jìn)程調用read()讀該設備時(shí)，內核調用ReadTouchPanel()。request_irq()注冊中斷處理，中斷為T(mén)OUCHPANEL_IRQ_UNM，中斷處理程序為T(mén)ouchPanelInterrupt（），說(shuō)明為“TouchPanel”。
當觸摸屏有數據來(lái)到時(shí)，中斷被觸發(fā)，調用中斷處理程序，準備處理數據。
在本系統中，觸摸屏主要用于改變采樣的頻率和幅值放大倍數。在LCD的上方有四個(gè)長(cháng)方形區域，分別對應著(zhù)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存單元中，在觸摸屏檢測到觸摸點(diǎn)的坐標在相應區域中后，就會(huì )根據程序預先設定好的順序和數值為增加或減少幅值或頻率。
2.4 μClinux多任務(wù)系統與共享內存管理
在傳統的單片機系統中，軟件往往是個(gè)控制環(huán)，讓多個(gè)功能模塊按順序執行。在一個(gè)功能較多的系統中，為了保證系統的各項性能，程序會(huì )變得越來(lái)越復雜和龐大。由于μClinux是一個(gè)多任務(wù)的嵌入式操作系統，內核允許將一項工作劃分成幾個(gè)相互獨立的任務(wù)，應用程序的設計得到了簡(jiǎn)化；更重要的是縮小了整個(gè)系統的響應時(shí)間，提高了系統性能。數字存儲示波器的設計需要進(jìn)行數據采集。對于這樣的系統來(lái)說(shuō)，應盡可能地少丟失數據采樣點(diǎn)。在μClinux中可同時(shí)運行多個(gè)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(gè)系統有效地完成各項功能。
數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)共享指定的物理內存單元來(lái)實(shí)現，不同任務(wù)之間對共享內存單元的訪(fǎng)問(wèn)是互斥的。ΜClinux的設計針對沒(méi)有MMU的處理器，不能使用虛擬內存管理技術(shù)。ΜClinux系統對于內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，它對地址的訪(fǎng)問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接送到地址線(xiàn)上輸出，所有程序中訪(fǎng)問(wèn)的址都是實(shí)際的物理地址，操作系統對內存空間沒(méi)保護。當觸摸屏檢測到有改變幅值或頻率的信號發(fā)生時(shí)，就去修改指定單元中存儲的數據，這樣的內存單元對于兩個(gè)任務(wù)來(lái)說(shuō)屬于臨界資源。在觸摸屏修改內存期間，需要禁止其它程序對該內存進(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，要對該內存單元進(jìn)行讀操作。若在此時(shí)有觸摸屏信號對內存提出寫(xiě)操作要求，程序就應該進(jìn)行等待，直到采集部分的讀操作執行完畢，釋放內存的訪(fǎng)問(wèn)權。
3 結論及展望
經(jīng)實(shí)踐證明，基于嵌入式Linux的40MHz數字存儲示波器的設計，是具有一定可用性及可靠性的。在目前已有功能的基礎上，我們還將開(kāi)發(fā)頻譜分析等更多的功能。整個(gè)系統設計體現了嵌入式Linux系統適應性強、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，系統的控制邏輯結構清晰，與普通的單片機系統相比，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(zhù)極大的優(yōu)勢。
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