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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。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1024×9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(gè)系統(tǒng)的性能。采樣信號(hào)與FIFO存儲(chǔ)器讀和寫的工作時(shí)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(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，采集卡開始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過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240×320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LCD控制器完成。
存放在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)變換之后就可以在L
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