基于嵌入式的通用電子測量儀器硬件平臺設(shè)計研究

裴曉燕

（晉中職業(yè)技術(shù)學院，山西晉中，030600）

0 引言

通過應用嵌入式系統(tǒng)與模塊功能設(shè)置，可以優(yōu)化通用電子測量儀器結(jié)構(gòu)、擴展應用功能、增強應用效用。例如，在現(xiàn)階段使用的通用電子測量儀器之中，主要包括：（1）數(shù)字存儲示波器；（2）數(shù)據(jù)記錄儀；（3）數(shù)字頻率計；（4）頻譜分析儀；（5）任意波形發(fā)生器；（6）多功能函數(shù)發(fā)生器；（7）噪聲發(fā)生器。由于此類儀器在重量、體積、通用性能、功耗等方面，均具備一定的比較優(yōu)勢。因而，在與嵌入式系統(tǒng)進行技術(shù)融合應用的過程中，通常會根據(jù)通用電子測量儀器的實際使用需求，對其硬件平臺進行具體設(shè)計。

1 嵌入式通用電子測量儀器體系結(jié)構(gòu)

通用電子測量儀器的功能主要包括了信號產(chǎn)生-獲取、數(shù)據(jù)采集-控制、數(shù)據(jù)分析-處理、數(shù)據(jù)輸出-顯示四大部分。通常設(shè)計的典型性嵌入式通用電子測量儀器系統(tǒng)中，上層由嵌入式計算機平臺與嵌入式軟件平臺構(gòu)成，下層以儀器硬件電路作為支撐。其中，嵌入式計算機系統(tǒng)中包括了CPU、DSP、FPGA、內(nèi)存，同時，設(shè)置有人機交互接口、通信及I/O接口，以及A/D轉(zhuǎn)換模塊。用戶在具體應用中可以根據(jù)在電源系統(tǒng)、DUT、參考信號支持下，通過數(shù)字信號調(diào)理、RF信號調(diào)理、模擬信號調(diào)理、RF信號下變頻等直接連接到嵌入式計算機系統(tǒng)。具體的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖1。

圖1 嵌入式通用電子測量儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 嵌入式通用電子測量儀器硬件平臺硬件設(shè)計分析

2.1 儀器硬件平臺設(shè)計

首先，在硬件組成結(jié)構(gòu)方面，主要按照模塊化的單元制式，進行平臺基本結(jié)構(gòu)設(shè)置，見下圖2。

圖2 通用電子測量儀器硬件平臺基本結(jié)構(gòu)

其次，根據(jù)各相單元制式的模塊功能需求，選擇匹配的硬件配置。具體如下：

（1）在儀器控制單元，選擇普通儀器中的片上系統(tǒng)ARM處理器，其處理速度在200MHz到1GHz之間。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在內(nèi)部資源豐富、成本投入適中，以及在消費電子領(lǐng)域的普遍適用性等方面。

（2）嵌入式系統(tǒng)的存儲器以NAND FLASH為準，其特點是速度快、容易小、價格一般、適用性較強。配套的接口選擇SD接口。

（3）在顯示功能方面，按照用戶使用習慣，本次研究中選用彩色型LCD液晶顯示屏。

（4）鍵入功能中按照鍵盤方式功能需求，選擇混合式鍵盤。

（5）命令/數(shù)據(jù)通道選用FPGA進行邏輯設(shè)計。

第三，由于DSP平臺不能較好的支持嵌入式Linux、Windows CE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。因而，在本次研究中，根據(jù)儀器硬件平臺基本結(jié)構(gòu)確定各項硬件配置后，以平臺架構(gòu)設(shè)計需要為準，選擇了ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。設(shè)計架構(gòu)見下圖3。

圖3 ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的通用電子測量儀器硬件平臺設(shè)計架構(gòu)

在該架構(gòu)下，可以明確各單元模塊中的功能。例如，儀器控制單元作為核心系統(tǒng)，通過設(shè)置輔助電路與內(nèi)存電路，能夠較好的支持整個操作系統(tǒng)的運行。而存儲單元選擇的存儲卡接口與NAND FLASH能夠幫助儀器平臺，對應用系統(tǒng)生成的定標文件、配置文件，以及應用中的各種測量數(shù)據(jù)進行全面的存儲，并構(gòu)建內(nèi)容完整的文件系統(tǒng)。尤其是在基于FPGA雙顯示緩存LCD液晶顯示屏支持下，能夠以800*480的分辨率，實現(xiàn)乒乓式數(shù)據(jù)顯示。利用FPGA進行異步FIFO命令/數(shù)據(jù)通道設(shè)計，也能夠使儀器前端測量模塊與顯示單元、儀器控制單元之間建立起一個交互性的數(shù)據(jù)傳輸路徑，完成測量數(shù)據(jù)采集與命令傳輸?shù)?。加上混合式鍵盤單元中設(shè)置的旋轉(zhuǎn)編碼器、掃描、主機通信電路，能夠較好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)多元輸入與快速轉(zhuǎn)換及傳輸。另外，以串口、USB接口、網(wǎng)口為通信接口，較好的實現(xiàn)了儀器控制單元ARM核心系統(tǒng)的集成。而且，在以太網(wǎng)接口在專用芯片應用條件下也獲得了有效擴展，有利于擴大應用范圍。

2.2 儀器軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件系統(tǒng)設(shè)計方面，本次研究以嵌入式Linux軟件系統(tǒng)為準，能夠在文件系統(tǒng)、Linux、啟動引導代碼支持下，通過連接應用程序、通用電子測量儀器硬件平臺、設(shè)備管理器，以及安裝設(shè)備驅(qū)動程度，完成嵌入式軟件系統(tǒng)應用。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖4。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，在開發(fā)設(shè)備系統(tǒng)驅(qū)動程序環(huán)節(jié)，目標定位在file_operation結(jié)構(gòu)中的文件操作函數(shù)方面，所以，僅需要按照了解設(shè)備電路原理——對設(shè)備地址進行映射與定義設(shè)備號——實現(xiàn)初始化函數(shù)——設(shè)計實現(xiàn)文件操作與定義file_operation結(jié)構(gòu)后，通過設(shè)置文件操作函數(shù)（如write、read），并于該驅(qū)動程序中進行內(nèi)核編譯，或者采用insmod命令進行模塊加載即可實現(xiàn)對該設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。

2.3 儀器硬件電路設(shè)計

完成嵌入式通用電子測量儀器硬件平臺搭建、軟件系統(tǒng)設(shè)置等上層系統(tǒng)后，需要對應下層系統(tǒng)功能設(shè)置，配套的進行儀器硬件電路設(shè)計。本次研究中主要按照通用電子測量儀器硬件平臺架構(gòu)中的單元模塊進行電路設(shè)計。分述如下：

（1）儀器控制單元中包括了控制單元處理器電路、內(nèi)存電路、輔助電路，以及PCB布線。由于本方案中選用了S3C2400嵌入式微處理中，配置了ARM920T內(nèi)核。因而，在設(shè)備接口相對較多的情況下，根據(jù)AHB系統(tǒng)總線、APB系統(tǒng)總線進行了內(nèi)部資源功能分區(qū)，然后，根據(jù)平臺地址空間映射關(guān)系，設(shè)置了具有自刷新功能與掉電模式的SDRAM控制器。因而，在內(nèi)存電路方面，主要按照芯片、處理器對應引腳線連接的方式與4字節(jié)尋址單位設(shè)置，較好的實現(xiàn)了內(nèi)存電路基礎(chǔ)上的通信關(guān)聯(lián)。在JTAG、時鐘、芯片配置方面的輔助電路細化程度較高，具體見下圖5。

圖5 輔助電路 （部分）

PCB布線以SDRAM高速器件為準，根據(jù)電路范疇選用了“短布線、且等長”的基本原則進行了仿真布線設(shè)置。簡單講，所有電路的布線均按照現(xiàn)實布線方式，選擇對應的仿真模型。例如，在SDRAM時鐘線的PSCLK仿真模型中，本次研究中選擇了IBIS模型，利用V/I曲線建模方法，完成了對I/O BUFFER的精準建模。另外，考慮到關(guān)鍵信號的傳輸精準性問題，本次研究中選擇了阻抗匹配方案，能夠預防信號反射時產(chǎn)生的振鈴、過沖、下沖等問題。繼續(xù)以時鐘線仿真結(jié)果為例，在匹配源端阻抗后，明顯在信號傳輸方面優(yōu)化未匹配阻抗的方案。匹配阻抗前后的仿真結(jié)果見下圖6。

圖6 SDRAM 時鐘線 PSCLK 在阻抗匹配前、后的仿真結(jié)果

（2）其它單元的電路設(shè)計如下：首先，在存儲單元主要按照NAND FLASH電路與SD卡接口電路進行具體設(shè)計，SDCRAD中選用的SPI模式，能夠滿足多種微控制器中的通信協(xié)議需求。其次，在顯示單元則按照S3C2440內(nèi)部集成的LCD控制器結(jié)構(gòu)（ARM系統(tǒng)總線、控制模塊、LCD FIFO、LCD屏幕接口），配套FPGA顯示緩存1與顯示緩存2，設(shè)置顯示緩存電路與LCD顯示接口電路。除此之外，在地址分配方面，儀器顯示單元與命令/數(shù)據(jù)通道的地址空間分配如下表1所示。

表1 儀器顯示單元與命令/數(shù)據(jù)通道的地址空間分配

第三，在混合式鍵盤電路設(shè)計中按照鍵盤接口（串口）、鍵盤控制器、8條行掃描線、6條列掃描線、8*6矩陣鍵盤構(gòu)成，通過旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相電路將旋轉(zhuǎn)編碼器與前面構(gòu)成部分進行關(guān)聯(lián)，當鍵盤控制器電路與主機通信電路等關(guān)聯(lián)起來后，可以實現(xiàn)正旋、反旋運用。至于儀器接口方面的RS232接口電路、USB主從接口電路、以太網(wǎng)接口電路設(shè)計，分別采用了UART邏輯電平轉(zhuǎn)換方案、引腳連接方案、專用芯片方案。最后，借助儀器平臺顯示單元的邏輯設(shè)計（時鐘、控制、LCD時序模塊）、命令/數(shù)據(jù)通道邏輯設(shè)計（FPGA XC3S400A 內(nèi)嵌45KB 的 RAM），應用嵌入式Linux分區(qū)結(jié)構(gòu)實施系統(tǒng)調(diào)試與試運行。

3 結(jié)束語

隨著數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展與應用，通用電子測量儀器便進入到了智能化發(fā)展階段，通過對微處理器的應用，解決了硬件邏輯、軟件靈活度問題，全面提高了數(shù)據(jù)處理功能。通過以上初步分析可以看出，在應用嵌入式系統(tǒng)后，可以建立關(guān)于通用電子測量儀器的硬件平臺。以基于ARM+FPGA的硬件平臺架構(gòu)設(shè)計情況為例，其適用性、功能性可以獲得科學設(shè)置，可以充分發(fā)揮FPGA中的邏輯設(shè)計優(yōu)勢，從而在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，較好的完成平臺開發(fā)。另外，通過對該平臺的使用，能夠進一步對PCB設(shè)計中的布局布線、LCD顯示功能、用戶界面等實施優(yōu)化處理，從而達到對通用電子測量儀器諸項功能的有效使用。