由uClinux與MC68VZ328構成數(shù)字存儲示波器

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 數(shù)字存儲示波器 FIFO 多任務

數(shù)字存儲示波器是一種具有數(shù)據(jù)存儲、預觸發(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)是以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可裁減，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經過小型化裁減后，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是一個多任務的嵌入式操作系統(tǒng)；

②內核小，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)成熟的網絡協(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，內部還集成了控制邏輯和SDRAM、LCD、SPI、UART、定時器/PWM和多達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備較少的手持設備，工作電壓為3.3V。

2 系統(tǒng)構成

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10249位先進先出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口來進行控制。J口在輸入數(shù)據(jù)進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。采集的信號經過A/D變換后首先進入FIFO存儲器，當從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過鎖存器進入端口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CPU讀周期到來時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采滿1K時，F(xiàn)IFO存儲器會產生一個中斷信號INT。該信號由D口的PD6輸入。

2.3 系統(tǒng)軟件結構

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)出復位信號RESET，采集卡開始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經過FIFO存儲器，由J口讀入內存并存入指定數(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)交替存放在內存的不同區(qū)域中。在每讀入1K個數(shù)據(jù)之后，內存中都存在連續(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240320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。

存放在內存中的數(shù)據(jù)經過坐標變換之后就可以在LCD上進行顯示了。在顯示之前，因為LCD的坐標系與顯示波形時所用的坐標系y軸方向相反，且需要將波形顯示在屏幕的特定區(qū)域內，所以要對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。從端口讀入數(shù)據(jù)的范圍為0～0XFF，0點對應于LCD上y軸坐標的190，0XFF對應于LCD上y軸坐標的50，則0X7F對應于LCD上坐標為120的點，即屏幕顯示的零點。相應的轉化公式為

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。

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，它將壓力轉換成模擬電信號，模擬信號再經過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：注冊驅動程序和注冊中斷。

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。

當用戶進程調用open()打開/dev/ts7843時，內核調用OpenTouchPanel()；用戶進程調用read()讀該設備時，內核調用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”。

當觸摸屏有數(shù)據(jù)來到時，中斷被觸發(fā)，調用中斷處理程序，準備處理數(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存單元中，在觸摸屏檢測到觸摸點的坐標在相應區(qū)域中后，就會根據(jù)程序預先設定好的順序和數(shù)值為增加或減少幅值或頻率。

2.4 μClinux多任務系統(tǒng)與共享內存管理

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雜和龐大。由于μClinux是一個多任務的嵌入式操作系統(tǒng)，內核允許將一項工作劃分成幾個相互獨立的任務，應用程序的設計得到了簡化；更重要的是縮小了整個系統(tǒng)的響應時間，提高了系統(tǒng)性能。數(shù)字存儲示波器的設計需要進行數(shù)據(jù)采集。對于這樣的系統(tǒng)來說，應盡可能地少丟失數(shù)據(jù)采樣點。在μClinux中可同時運行多個任務，且前臺任務比后臺任務具有較高的優(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，所以在前后臺任務之間需要進行同步和通信。任務之間的通信是通過共享指定的物理內存單元來實現(xiàn)，不同任務之間對共享內存單元的訪問是互斥的。ΜClinux的設計針對沒有MMU的處理器，不能使用虛擬內存管理技術。ΜClinux系統(tǒng)對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過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)對內存空間沒保護。當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)，這樣的內存單元對于兩個任務來說屬于臨界資源。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，要對該內存單元進行讀操作。若在此時有觸摸屏信號對內存提出寫操作要求，程序就應該進行等待，直到采集部分的讀操作執(zhí)行完畢，釋放內存的訪問權。

3 結論及展望

經實踐證明，基于嵌入式Linux的40MHz數(shù)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，我們還將開發(fā)頻譜分析等更多的功能。整個系統(tǒng)設計體現(xiàn)了嵌入式Linux系統(tǒng)適應性強、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)的控制邏輯結構清晰，與普通的單片機系統(tǒng)相比，在對功能的進一步擴展、移植及接入網絡等方面都有著極大的優(yōu)勢。