基于ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì).doc

摘要數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)摘要便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器是現(xiàn)代示波器發(fā)展的方向之一，但由于其技術(shù)含量及高，尚無(wú)本國(guó)產(chǎn)品上市，屬于測(cè)試儀表方面眾目交注的領(lǐng)域。ARM是32位的RISC處理器，高性能、低功耗是其顯著特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用與各種潛入式領(lǐng)域。在便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，采用FPGA器件可以將原來(lái)的電路板級(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品，做到功耗低、可靠性高。本文提出了一種基于ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)PGA主要用于大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，ARM則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和控制波形的重建、顯示和數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)。系統(tǒng)的前端芯片選用Altera公司最新一代的MAX系列高性能、低功耗FPGA芯片，系統(tǒng)后端ARM處理器則選用三星公司基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的多功能、低功耗ARM單片機(jī)LPC2210，系統(tǒng)利用彩色LCD作為終端顯示設(shè)設(shè)備，利用其基于自帶的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)永久波形數(shù)據(jù)，且自帶有JTAG調(diào)試接口，便于設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞ARM嵌入式控制系統(tǒng)，便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器，硬件丟失，LCD顯示屏ABSTRACTABSTRACTItisoneofthedirectionsofmodernoscilloscopedevelopmentthattheportabledigitalstorageoscilloscope,becauseitstechnologicalcontentisextremelyhigh,therearenonationalproductstogoonthemarket,Itisafieldconcernedbyalotofeyesintestingtheinstrument.ARMis32bitsRISCprocessor,highperformance,lowconsumptionareitsremarkablecharacteristic,havealreadywidelyusedinvariouskindsofembeddedfields.Inportableelectronicproductdesign,usingFPGAmayupgradeprintedcircuitproducttointegrationcircuit,depresspowerconsumptionandenhancereliability.ThepaperhasproposedakindofhardwareplatformdesignplanoftheportabledigitalstorageoscilloscopebasedonARM+FPGAstructure.FPGAisusedasdatamemory,ARMisresponsibleforthebackendwaveformrebuilding,displayingandthedatastoringforever.Thechipofthesystematicfront,weselectAlteraCompanysMAXseriesforusethatisthemostnewgenerationhighperformance,lowconsumptionFPGAchip,theARMprocessorofthesystematicbackend,weselectSamsungCompanysthemulti-functional、lowconsumptionARMchipbasedonARM7TDMI-Skernellpc2210,thesystemutilizesmulticolorLCDastheterminaldisplaydevice,toutilizethememoryoflpc2210tostorethewaveformdataforever,theJTAGdebugginginterfaceoflpc2210makeitconvenientfordesign.KeywordsARMEmbeddedMonitoringSystem,PortableDigitalStorageOscilloscope,Redundantdatelostbyhardware,LCD目錄目錄摘要IABSTRACTII1緒論12設(shè)計(jì)要求22.1方案設(shè)計(jì)22.2實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)33單片機(jī)LPC2210簡(jiǎn)介43.1ARM處理器核簡(jiǎn)介43.1.1ARM嵌入式系統(tǒng)43.1.2ARM處理器介紹53.1.3程序狀態(tài)寄存器53.2單片32位微控制器LPC221073.2.1LPC2210介紹73.2.2特性73.2.3結(jié)構(gòu)框圖83.2.4管腳信息93.2.5功能描述94硬件平臺(tái)的模塊介紹124.1信號(hào)調(diào)理電路124.1.1輸入信號(hào)保護(hù)和衰減電路的設(shè)計(jì)124.1.2信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)134.2A/D轉(zhuǎn)換模塊144.2.1特性144.2.2描述144.2.3操作174.3顯示模塊184.4鍵盤(pán)輸入模塊194.4.1ZLG7290芯片描述194.4.2I2C接口225軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹27目錄5.1ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的組成275.2CodeWarriorIDE簡(jiǎn)介275.3EasyJTAG防真器的安裝與運(yùn)用275.4安裝EasyJTAG仿真器285.5使用EasyJTAG仿真器286系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)296.1硬件丟失和軟件丟失296.2程序設(shè)計(jì)的方案選擇306.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的實(shí)際性能指標(biāo)326.4應(yīng)用程序33結(jié)論39參考文獻(xiàn)40附錄A:液晶模塊驅(qū)動(dòng)程序41附錄B:液晶模塊驅(qū)動(dòng)程序頭文件51附錄C:I2C中斷服務(wù)程序57附錄D:I2C中斷程序頭文件62致謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1緒論1緒論現(xiàn)代電子測(cè)量、儀器儀表領(lǐng)域中，示波器是最常使用的儀器之一。傳統(tǒng)的模擬示波器是把需觀測(cè)的兩個(gè)信號(hào)加到示波管的X、Y通道，以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個(gè)電信號(hào)關(guān)系的顯示波形。顯然，這種模擬示波器體積大、重量重、成本高，并且不太適合非周期的、單次信號(hào)的測(cè)量。而現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣，獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)，根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析、以方便用戶(hù)了解信號(hào)質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷分析。而且，隨著顯示技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的小型化以成為可能，便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器是其發(fā)展方向之一，盡管在國(guó)際上數(shù)字存儲(chǔ)示波器的技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)逐漸成熟，但我國(guó)目前在其生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)還處于起步階段，還沒(méi)有其產(chǎn)品上市。本課題“基于ARM嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器”，正是將高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)及存儲(chǔ)器用ARM+FPGA的方法實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⑵鋬烧叩膬?yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，分工合作使其設(shè)計(jì)的效果達(dá)到最佳。此設(shè)計(jì)順利實(shí)現(xiàn)了一種體積小、功能強(qiáng)的便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本功能，為以后的小型示波器的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。2設(shè)計(jì)要求2設(shè)計(jì)要求2.1方案設(shè)計(jì)方案一：采用一種“CPLD+單片機(jī)”的兩層控制方案，其底層控制由CPLD或普通IC為核心的高速邏輯控制電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和高速的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與運(yùn)輸；頂層控制由一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理等項(xiàng)工作。這種“CPLD+單片機(jī)”的控制方案能使單片機(jī)和高速邏輯器件揚(yáng)長(zhǎng)避短地結(jié)合在一起。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的總體方案如下圖2.1所示。圖中主要由CPLD組成的高速邏輯控制電路實(shí)施控制。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)在RAM中的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，單片機(jī)也應(yīng)該能對(duì)RAM進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，所以還必須把單片機(jī)的地址通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器連接到RAM的地址線上，把數(shù)據(jù)線通過(guò)鎖存器連接到RAM的數(shù)據(jù)線上。圖2.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器總體方案一方案二：由于在上述設(shè)計(jì)方案中，雙口RAM器件非常耗費(fèi)CPLD的管腳資源，電路接線較多，系統(tǒng)的可靠性不夠高。因此，我們?cè)谶@種方案中采用內(nèi)含嵌入式陣列的可編程器件FPGA，該類(lèi)器件包含嵌入式陣列和邏輯陣列，其中嵌入式陣列由一系列具有實(shí)現(xiàn)邏輯功能和存儲(chǔ)功能的EAB組成，EAB是在輸入、輸出口上帶有寄存器的RAM塊，利用它可以非常方便地實(shí)現(xiàn)雙口RAM和FIFO等功能。因此采用這種可輸入電路A/D轉(zhuǎn)換雙口RAMD/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換觸發(fā)電路直接控制邏輯電路（CPLD）(Y輸入)(X輸入)普通示波器鍵盤(pán)與顯示電路單片機(jī)控制電路雙口RAM接口2設(shè)計(jì)要求編程器器件可以將直接邏輯控制電路和雙口RAM集成在一個(gè)芯片中，這樣就使系統(tǒng)的硬件連線大幅度減少，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性并能縮短研制周期。而單片機(jī)我們選擇ARM嵌入式單片機(jī)，因?yàn)樗梢赃x擇液晶顯示屏作為它的外設(shè)，且可以不需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換而直接將數(shù)字信號(hào)輸出到液晶顯示屏上，這不僅可以再一步大大減少硬件電路，還能提高顯示波形的精度，因此確定為最佳方案，如下圖2.2所示。圖2.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器總體方案二2.2實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能為，將輸入端的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為十位的數(shù)字信號(hào)，再輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理、控制，同時(shí)輸入到存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，單片機(jī)將處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)輸入在顯示屏上控制顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)鍵盤(pán)鍵入要顯示某個(gè)時(shí)間段內(nèi)歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)根據(jù)輸入的時(shí)間數(shù)據(jù)，從存儲(chǔ)器中找到與時(shí)間對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)塊，并將其輸送到顯示器顯示出歷史數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)參數(shù)：通道：?jiǎn)瓮ǖ?；采樣速度?2.44us（可變的）；垂直分辨率為：10位；存儲(chǔ)深度：32KB；顯示：LCD（彩色：整個(gè)屏幕320240點(diǎn)）調(diào)理電路FPGA（A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)）LPC2210單片機(jī)顯示屏鍵盤(pán)3單片機(jī)LPC2210簡(jiǎn)介3單片機(jī)LPC2210簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)采用基于ARM內(nèi)核的LPC2210單片機(jī)，用鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)控制歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示的切換功能，采用2.2英寸240320TFT液晶屏顯示，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)必要的數(shù)據(jù)處理后輸出到顯示屏顯示，同時(shí)也可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入控制顯示所需的時(shí)間段內(nèi)的波形，下面簡(jiǎn)單介紹設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)的概述和結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。3.1ARM處理器核簡(jiǎn)介由于本設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)是基于ARM處理器內(nèi)核的，下面就來(lái)介紹一下ARM嵌入式控制系統(tǒng)的一些情況。3.1.1ARM嵌入式系統(tǒng)1ARM嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)嵌入式系統(tǒng)比較準(zhǔn)確的定義是:以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫氖謾C(jī)，PDA.MP3播放器，冰箱,空調(diào)，微波爐等都是嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用。由于普通單片機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足便攜式的、復(fù)雜的應(yīng)用對(duì)性能、體積和功耗等的苛刻要求，所以目前的高端嵌入式應(yīng)用都是采用的32位的微處理器，普通8位、16位單片機(jī)只能用于低端的控制系統(tǒng)，隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，它們將逐漸淡出歷史舞臺(tái)。一個(gè)基于操作系統(tǒng)的完整的ARM嵌入式系統(tǒng)包括軟件和硬件，具體可以分為五個(gè)部分:ARM硬件平臺(tái)、板級(jí)支持包BSP,操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。其中的板級(jí)支持包BSP是操作系統(tǒng)與硬件的橋梁，其作用相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS.還有一種比較簡(jiǎn)單的ARM嵌入式系統(tǒng)它不包含操作系統(tǒng)，于是整個(gè)系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分，ARM硬件平臺(tái)、系統(tǒng)初始化程序、應(yīng)用程序。其中系統(tǒng)初始化程序用于初始化系統(tǒng)硬件，作為硬件與應(yīng)用程序的接口.2ARM嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)在8位機(jī)的低端應(yīng)用中，嵌入對(duì)象與對(duì)象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域十分廣泛而復(fù)雜；而當(dāng)前32位MCU的高端應(yīng)用則多集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)領(lǐng)域。在嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用中，進(jìn)行多年技術(shù)準(zhǔn)備的ARM公司，適時(shí)地推出了32位ARM系列嵌入式微處理器，迅速形成32位機(jī)高端應(yīng)用的主流地位。網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電時(shí)代的到來(lái)，為32位嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用提供了空前巨大的發(fā)展空間。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)的高、低端應(yīng)用模糊地界定成3單片機(jī)LPC2210簡(jiǎn)介為：高端用于具有海量數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)、通信和多媒體領(lǐng)域，低端則用于對(duì)象系統(tǒng)的控制領(lǐng)域。32位機(jī)的市場(chǎng)需求發(fā)展由2方面所致：一方面是高端新興領(lǐng)域（網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家包）的拓展；另一方面是低端控制領(lǐng)域應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理能力的提升要求。后PC時(shí)代的到來(lái)以及32位嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用，吸引了大量計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人士的介；加之嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用模式的巨大變化。在眾多嵌入式系統(tǒng)廠家參與下，基于ARM系列處理器的應(yīng)用技術(shù)，會(huì)在眾多領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。3.1.2ARM處理器介紹ARM所提供的嵌入式RISC內(nèi)核有:ARM7,ATM9,ARM9EARM.10.SecurCore等。而本次設(shè)計(jì)使用的ARM7系列.ARM7系列包括:ARM7TDMI,ARM7TDMIS-S.帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T和擴(kuò)充了Jazelle的ARM7EJ-S.該系列處理器是使用3級(jí)流水線的ARM核,它提供16位Thumb壓縮指令集和EmbeddedICEJTAG軟件調(diào)試方式,適合應(yīng)用于大規(guī)模的SoC設(shè)計(jì)。其中ARM720T芯核提供內(nèi)存管理功能(MMU)和8KB緩存的高