基于UCOS-II的圖形虛擬示波器系統(tǒng)設計-中國種豬信息網(wǎng).doc

基于uc/os-ii的數(shù)字示波器系統(tǒng)設計賀洪江 王國杰 （河北工程大學 信息與電氣工程學院，河北省 邯鄲市 056038）he hongjiang wang guojie(engineering college of information and electrical hebei university of engineering, handan city hebei province, 056038)【摘要】 本文介紹一種基于samsungs3c 44box arm處理器及嵌入式uc/os-ii和uc-gui操作系統(tǒng)下的便攜式數(shù)字示波器的設計，該設計充分利用arm微控制器在uc/os-ii和uc-gui平臺上實現(xiàn)多任務程序運行及實時處理并可利用tcp/ip協(xié)議通過網(wǎng)絡與pc機實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該方案具有l(wèi)cd屏顯示、體積小、重量輕、功能強、攜帶方便，能夠很好的實現(xiàn)波形的圖形顯示。關鍵字： arm； uc/os-ii嵌入式系統(tǒng)； uc-gui圖形系統(tǒng)；tcp/ip design of digital oscillograph system based on uc/os-iiabstract based on the samsungs3c 44b0x arm processor and uc/os-ii and uc-gui, the paper introduces a design of portable digital oscillograph. the design takes full advantage of the cpus realizing the function of multitask and processing in real time and making use of tcp/ip protocol to share data with pc through network on the uc/os-ii and uc-gui system. the project can realize the display of graphics very well with display of lcd, small cubage, light, more function and portability.keywords: arm; uc/os-ii; uc-gui; tcp/ip引言數(shù)字示波器相對于傳統(tǒng)示波器是一種具有數(shù)據(jù)及波形的實時顯示和存儲、體積小、功能實現(xiàn)方便、系統(tǒng)成本低、功耗低、通過tcp/ip協(xié)議可方便的與pc機通信等優(yōu)點的便攜式智能儀器，本文介紹的圖形示波器是構建于嵌入式uc/os-ii操作系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的uc-gui圖形界面平臺之上，采用三星s3c44box 芯片作為處理器，lcd屏的顯示頻率與幅度可根據(jù)采樣波形的實際值自動調節(jié)，網(wǎng)絡控制芯片采用rtl8019及基于嵌入式uc/os-ii操作系統(tǒng)tcp/ip協(xié)議。該設計集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、分析和通信等多項功能于一體?？蓮V泛應用于機械故障檢查、野外作業(yè)、工業(yè)現(xiàn)場等，具有實際應用前景。系統(tǒng)框圖如1所示。按鍵s344b0x數(shù)據(jù)采集緩沖sdramnor flashlcd顯示rtl8019圖1 arm系統(tǒng)結構圖1 系統(tǒng)構成1.1 數(shù)據(jù)采集緩沖系統(tǒng)由a/d采集和fifo存儲緩沖組成。由于數(shù)字示波器取樣頻率要求較高，而s3c44box處理器內帶adc的工作頻率最高只能達到50kh z，所以必須單獨設計一個a/d轉換采集系統(tǒng)，本文a/d采用的是美國德州儀器公司（ti）生產的ads1605，它是高速、高精度的16位delta-sigma模數(shù)轉換器（adc）。其采樣速率為5msps，帶寬為2.45mhz; 非線性失真（thd）為99db，無失真動態(tài)范圍（sfdr）為101db。簡易的并行數(shù)字輸 出數(shù)據(jù)接口方便用戶接口設計。fifo存儲器是一種具有存儲功能的高速邏輯芯片，可在高速數(shù)字系統(tǒng)中用作數(shù)據(jù)緩存。idt72v3680屬于idt公司的高密度supersynctm36位系列存儲器idt72v36403690中的一種，其存儲結構為16，38436。這一系列cmos工藝的fifo（先入先出）芯片具有極大的深度。 數(shù)據(jù)采集緩沖系統(tǒng)接口如圖2所示。隔離放大濾波增 益adcfifo ram數(shù)據(jù)鎖存arm處理器頻 率圖2 數(shù)據(jù)采集緩沖系統(tǒng)圖1.2 系統(tǒng)接口設計系統(tǒng)使用s3c44box微處理器i/o端口中的c端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，通過f端來進行控制。模擬信號經過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，這樣才能保證讀出下一個單元內存儲的數(shù)據(jù)，讀數(shù)脈沖由 f端口的第四位pf0給出。數(shù)據(jù)從fifo存儲器中被讀出后經過數(shù)字鎖存器進入端口c的數(shù)據(jù)寄 存器pcdata中，數(shù)字鎖存信號由f端口的pf1給出。當處理器讀周期到來時，數(shù)據(jù)由端 口被讀入內存。每當數(shù)據(jù)采滿300時，fifo存儲器會產生一個中斷信號，該中斷信號由f端口 的pf3輸入給微處理器。 1.3 通訊和顯示模塊系統(tǒng)采用rtl8019as高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡單的解答即插即用ne2000兼容適配器，支持16k，32k，和64k 字節(jié)brom 和閃存接口。用16k 字節(jié)sram 設計在單片芯片上，它的設計不僅提供了更多友好的功能，而且節(jié)省了sram 存儲資源。顯示模塊使用一塊大小為240320像素的256彩色液晶顯示屏。微處理器s3c44box為lcd的控制提供了良好的支持，其實現(xiàn)主要通過本身自帶的lcd控制器來完成。波形的顯示主要通過圖形系統(tǒng)uc-gui將數(shù)字量轉換成液晶顯示屏上點的坐標來實現(xiàn)。2 軟件結構數(shù)字示波器軟件設計主要包括uc/os-ii和uc-gui系統(tǒng)移植、波形顯示程序、tcp/ip通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集和存儲等幾個部分。2.1 uc/os-ii和uc-gui嵌入式圖形界面系統(tǒng)uc/os-ii是一種源碼公開、可移植、可固化、可裁減、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。適合以arm為微控制器的實時多任務控制。具有可確定性、中斷管理、任務棧、提供多系統(tǒng)服務、穩(wěn)定性和可靠性強等特點。uc/os-ii的移植非常方便，44b0x完全滿足系統(tǒng)的移植條件，因此可以進行uc/os-ii的移植。uc/os-ii的體系結構如圖：應用軟件核心代碼（處理器無關）os_core . cos_mbox . cos_mem . cos_q . cos_sem . cos_task . cos_time . cucos_ii . h設置代碼（應用相關）os_cfg . hincludes . h移植代碼（處理器相關）os_cpu . hos_cpu_a . asmos_cpu_c . c圖 4 uc/os-ii的體系結構圖 3 uc/os-ii的體系結構圖uc/os-ii的主要第是基于與處理器相關的代碼部分，這一部分包括一個頭文件，一個匯編文件和一個c代碼文件，在uc/os-ii的移植過程中所需要關注的就是這三個文件。uc-gui是一種用于嵌入式應用的圖形支持軟件，它能工作于單任務或多任務的系統(tǒng)環(huán)境中。uc-gui適用于所有的cpu，這主要由于它是由ansi的c語言編寫的。uc-gui移植包括以下幾部分：第一步：定制uc-gui通過修改lcdconf.h（有關lcd液晶顯示的參數(shù)控制）來定制uc-gui，主要定義一些數(shù)據(jù)類型、有關顯示方案和lcd顯示開關設置。第二步：定義訪問地址和規(guī)則在guiconf.h（基本的gui預定義控制）和guitouchconf.h（有關觸屏的控制預定義）定義了訪問規(guī)則，通過修改使其符合系統(tǒng)要求。第三步：gui_x.c文件的修改首先在gui_x.c中定義三個函數(shù)void gui_x_log (const char *s) 、void gui_x_warn (const char *s) 、void gui_x_errorout(const char *s) 。由于在uc-gui的應用中有一些跟時間相關的函數(shù)使用的是uc/os-ii的os_time函數(shù)，因此要對這部分函數(shù)進行修改。2.2 基于嵌入式的tcp/ip通信協(xié)議本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡通訊協(xié)議是基于“tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)議+嵌入式實時操作系統(tǒng)+mac層驅動程序” 解決方案，適用于以太網(wǎng)應用的中小型嵌入式系統(tǒng)。網(wǎng)絡協(xié)議在uc/os-ii上的移植是基于協(xié)議棧lwip和uc/os-ii的構建。lwip是一套用于嵌入式系統(tǒng)的輕量級（light weight）tcp/ip協(xié)議棧，包括tcp，udp，icmp，ip，arp，dhcp協(xié)議，既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。lwip提供移植接口，lwip掛接以太網(wǎng)mac驅動程序，這個過程包括lwip輸出與網(wǎng)卡驅動的掛接、mac驅動程序發(fā)送協(xié)議包、接收mac層協(xié)議包、mac驅動程序發(fā)送中斷服務、應用軟件接口的調用，這包括tcp/ip應用接口、uc/os-ii系統(tǒng)的調用接口。其結構圖如下：uc/os-iilwipmac驅動程序其他驅動啟動程序應用程序接口圖 4 網(wǎng)絡通訊結構圖3 程序流程首先，系統(tǒng)進行初始化、a/d轉換初始化、uc-gui初始化、uc/os-ii初始化及創(chuàng)建多任務。流程圖如3所示。系統(tǒng)硬件初始化a/d初始化uc-gui初始化創(chuàng)建任務用戶界面、網(wǎng)絡初始化啟動多任務調度主任務消息處理任務一任務二圖 5 主程序啟動和運行流程圖在任務一中，cpu首先根據(jù)設定值向a/d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送所要求的頻率和幅值信號并啟動轉換，采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經過fifo存儲器，由c口讀入內存并存入指 定 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之中。在每讀入300個字節(jié)數(shù)據(jù)之后，cpu對數(shù)據(jù)進行處理和顯示。對消息查詢來確定是否通過網(wǎng)絡協(xié)議共享數(shù)據(jù)。對于uc/os-ii，任務之間的通信是通過任務之間發(fā)送消息來實現(xiàn)的。在任務二中，建立消息循環(huán)，通過它來響應鍵盤的消息。4 結論嵌入式系統(tǒng)在各個領域的研究和應用已經成為熱點，對于自動化儀表的發(fā)展而言，采用新的設計模式，選擇高性能的嵌入式微處理器，在實時操作系統(tǒng)的強大支持下，設計和開發(fā)高級智能化網(wǎng)絡化的新型儀器儀表，必將成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。示波器作為通用的測量設備，應用非常廣泛?；谇度胧降臄?shù)字存儲示波器在功能上、經濟上和頻帶寬度都是模擬示波器難以比擬的，目前數(shù)字示波器已有大于10ghz的產品，數(shù)字取樣示波器的頻帶寬度已達到80ghz。通過tcp/ip協(xié)議利用存儲示波器本身和外部計算機可以方便地進行分析、存檔和其他處理，為工業(yè)現(xiàn)場應用和科學實驗提供了很大的方便。參考文獻1 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)-基于arm微處理器與uc/os-ii實時操作系統(tǒng)(第2版). 清華大學出版社. 2003.7.312 趙彩云. 基于dsp的數(shù)字示波器gui的開發(fā). 今日電子. 2006.043 普源精電推出ds1000系列數(shù)字示波器. 中國現(xiàn)代教育裝備. 2006.034 沈懷洋. 數(shù)字示波器的校準.計量技術.2005.055 rebecca suemnicht,. 如何選擇混合信號示波器. 今日電子. 2006.016 凌明,浦漢來,張宇. 基于uitron操作系統(tǒng)的嵌入式gui設計. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用