基于Linux操作系统实现40MHz数字存储示波器的设计

介绍嵌入式μClinux操作系统；在该操作系统上使用Motorola MC68VZ328 CPU、FIFO存储器，设计实现一种数字存储示波器；在软件实现上，利用μUlinux的多任务特性。系统最大采样频率为40MHz，具有LCD显示和触摸屏界面。

数字存储示波器是一种具有数据存储、预触发、波形存储、便于与PC机通信等特点和优点的便携式智能仪器，广泛应用于机械故障检查、野外作业、工业现场等。本文介绍的便携式数字存储示波器构建于嵌入式μClinux操作系统平台之上，采用Motorola公司的龙珠系列MC68VZ328（以下简称VZ328）芯片作为处理器，采样频率与放大幅度可通过触摸屏调节；系统成本低、操作简单，可实现采集、存储和分析功能，具有实际应用前景。

1 嵌入式系统简介

1.1 嵌入式μClinux系统

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁减，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对Linux经过小型化裁减后，能够固化在容量只有几百K字节存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。

本文介绍的系统采用一种优秀的嵌入式操作系统——μClinux。它主要面对non-MMU的处理器，其主要特征为：

①是一个多任务的嵌入式操作系统；

②内核小，只有512K左右；

③同Linux系统的API保持一致；

④继承了Linux系统成熟的网络协议栈；

⑤支持一些主要的文件系统，如：FAT、EXT2、ROMFS、JFFS。

1.2 处理器简介

图2 FIFO工作时序

VZ328是Motorola公司MC68328 CPU家庭龙珠系列中的第一款。VZ328基于Motorola FLX68K核，内部还集成了控制逻辑和SDRAM、LCD、SPI、UART、定时器/PWM和多达76位的通用I/O（GPIO）。运行在33MHz时，VZ328处理能力为5.4MIPS。该处理器主要针对外部设备较少的手持设备，工作电压为3.3V。

2 系统构成

2.1 系统组成

系统组成框图如图1所示。

图1中，ADC采用的是Philips公司的8位高速并行A/D，最高采样频率为40Msps。采用的是IDT公司1024%26;#215;9位先进先出FIFO存储器。由于该款FIFO的最高存取速度为35ns，为了保证系统40Msps的采样频率，我们通过使用双FIFO与A/D相连接，A/D输出的数据轮流存入FIFO A和FIFO B中来保证整个系统的性能。采样信号与FIFO存储器读和写的工作时序如图2所示。VZ328与采集卡之间的接口详见2.2节。

2.2 系统接口设计

系统使用了VZ328的I/O端口读取数据并发出控制信号。具体方案如图3所示。

系统利用J口实现数据的输入输出，利用D口和G口来进行控制。J口在输入数据进要求该口的方向寄存器PJDIR置为0，在输出数据时要求PJDIR置为1。采集的信号经过A/D变换后首先进入FIFO存储器，当从FIFO中每读出一个数据后需要再向其发送一个读数脉冲信号，这样才能保证正确读出下一个单元内存储的数据。该读数脉冲由G口的第四位PG4给出。数据从FIFO存储器中被读出后经过锁存器进入端口J的数据寄存器PJDATA中，锁存信号由D口的第四位PD4给出。当CPU读周期到来时，数据由端口被读入内存。采样频率控制信号由J口的J5、J6、J7三位输出，数据采集复位信号RESET由J口的J0位输出，两者的锁存信号均由D口的PD5给出。类似地，幅值控制信号由J口的J0、J1、J2三位输出，锁存信号由D口的PD7给出。此外，每当数据采满1K时，FIFO存储器会产生一个中断信号INT。该信号由D口的PD6输入。

2.3 系统软件结构

基于嵌入式Linux的数字示波器系统主要分为数据采集和存储模块、波形显示和刷新模块以及触摸屏控制模块三个部分。系统软件由Linux下的C语言编程实现。

（1）数据采集和存储模块

采集存储模块流程如图4所示。

系统首先向采集卡发送所要求的频率和幅值信号，然后发出复位信号RESET，采集卡开始采集数据。采集到的数据经过FIFO存储器，由J口读入内存并存入指定数据缓冲区之中。在存储过程中，采用了双缓冲区机制，数据按1K大小分块，相邻的两块数据交替存放在内存的不同区域中。在每读入1K个数据之后，内存中都存在连续的2K个采样数据，这样有助于以后对数据的处理和显示。

（2）波形显示和刷新模块

本系统中使用一块大小为240%26;#215;320像素的黑白液晶显示屏。VZ328为LCD的控制提供了良好的支持，其实现主要通过LCD控制器完成。

存放在内存中的数据经过坐标变换之后就可以在LCD上进行显示了。在显示之前，因为LCD的坐标系与显示波形时所用的坐标系y轴方向相反，且需要将波形显示在屏幕的特定区域内，所以要对数据进行归一化处理。从端口读入数据的范围为0～0XFF，0点对应于LCD上y轴坐标的190，0XFF对应于LCD上y轴坐标的50，则0X7F对应于LCD上坐标为120的点，即屏幕显示的零点。相应的转化公式为

Y=120-（DATA-0X7F）%26;#215;70/0X7F

其中DATA为从端口读入的数据；

Y是DATA在LCD上显示的y坐标。

LCD一屏可以显示300个数据点，点与点之间用矢量法直线相连。

（3）触摸屏控制模块

触摸屏是附着在LCD表面的一层透明薄膜，它将压力转换成模拟电信号，模拟信号再经过A/D转换被采样。触摸屏的工作流程如图5所示。

触摸屏通过中断方式完成其功能。从执行流程上来说，首先在TouchPanel_init（）中完成两件事：注册驱动程序和注册中断。

对于触摸屏设备，主设备号为58，设备名为“ts7843”，驱动程序子函数集为TouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release

四个操作子函数的地址依次为

ReadTouchPanel、TouchPanelSelect、OpenTouchPanel和CloseTouchPanel。

当用户进程调用open（）打开/dev/ts7843时，内核调用OpenTouchPanel（）；用户进程调用read（）读该设备时，内核调用ReadTouchPanel（）。request_irq（）注册中断处理，中断为TOUCHPANEL_IRQ_UNM，中断处理程序为TouchPanelInterrupt（），说明为“TouchPanel”。

当触摸屏有数据来到时，中断被触发，调用中断处理程序，准备处理数据。

在本系统中，触摸屏主要用于改变采样的频率和幅值放大倍数。在LCD的上方有四个长方形区域，分别对应着幅值增加、幅值减小、频率增加和频率减小。

幅值和频率的选定值存放在指定内存单元中，在触摸屏检测到触摸点的坐标在相应区域中后，就会根据程序预先设定好的顺序和数值为增加或减少幅值或频率。

2.4 μClinux多任务系统与共享内存管理

在传统的单片机系统中，软件往往是个控制环，让多个功能模块按顺序执行。在一个功能较多的系统中，为了保证系统的各项性能，程序会变得越来越复杂和庞大。由于μClinux是一个多任务的嵌入式操作系统，内核允许将一项工作划分成几个相互独立的任务，应用程序的设计得到了简化；更重要的是缩小了整个系统的响应时间，提高了系统性能。数字存储示波器的设计需要进行数据采集。对于这样的系统来说，应尽可能地少丢失数据采样点。在μClinux中可同时运行多个任务，且前台任务比后台任务具有较高的优先级，因此，合理的方案是将采集部分和显示部分安排在前台，而将触摸屏控制部分放在后台运行。这样可以保证整个系统有效地完成各项功能。

数字示波器在采样和显示过程中，要求可以随时改变采样频率和幅值，所以在前后台任务之间需要进行同步和通信。任务之间的通信是通过共享指定的物理内存单元来实现，不同任务之间对共享内存单元的访问是互斥的。ΜClinux的设计针对没有MMU的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。ΜClinux系统对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的址都是实际的物理地址，操作系统对内存空间没保护。当触摸屏检测到有改变幅值或频率的信号发生时，就去修改指定单元中存储的数据，这样的内存单元对于两个任务来说属于临界资源。在触摸屏修改内存期间，需要禁止其它程序对该内存进行任何操作。同样，采集程序每次在发送幅值和频率信号之前，要对该内存单元进行读操作。若在此时有触摸屏信号对内存提出写操作要求，程序就应该进行等待，直到采集部分的读操作执行完毕，释放内存的访问权。

3 结论及展望

经实践证明，基于嵌入式Linux的40MHz数字存储示波器的设计，是具有一定可用性及可靠性的。在目前已有功能的基础上，我们还将开发频谱分析等更多的功能。整个系统设计体现了嵌入式Linux系统适应性强、体积小、成本低、开放源代码、开发使用容易等特点。由于使用了μClinux，系统的控制逻辑结构清晰，与普通的单片机系统相比，在对功能的进一步扩展、移植及接入网络等方面都有着极大的优势。

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