100MHz 數(shù)字存儲示波表樣機(jī)的研究與試制----顯示數(shù)據(jù)傳輸電路

5.2顯示數(shù)據(jù)傳輸電路

顯示數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)的流向如圖4-6.模擬信號經(jīng)AD采樣進(jìn)來后通過FIFO進(jìn)入DSP處理，處理完的數(shù)據(jù)隨后存入SRAM3.SRAM3中的數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO2送入SRAM1和SRAM2.當(dāng)要顯示波形時，SRAM1、SRAM2分時復(fù)用，將顯示數(shù)據(jù)再經(jīng)過FIFO2送至液晶顯示。系統(tǒng)中，SRAM1、SRAM2、SRAM3都為單口RAM，所以主要存在以下兩個問題：1.合理分配SRAM3的地址總線、數(shù)據(jù)總線分時被DSP和FPGA2占用的問題；2.正確協(xié)調(diào)SRAM1和SRAM2分時復(fù)用送顯示數(shù)據(jù)的問題。

5.2.1 SRAM3的總線占用

解決SRAM3總線占用問題的關(guān)鍵是由DSP發(fā)出的XF信號（如圖4-7）。當(dāng)XF為低電平時，SRAM3的讀寫、片選信號ram3_rws[2..0]由DSP發(fā)出的讀寫和片選信號DSP_RWS[2..0]控制，同時DSP的數(shù)據(jù)、地址線通過74244和SRAM3的數(shù)據(jù)、地址線連接起來，并利用XF作為選通信號。當(dāng)XF為高電平時，SRAM3固定為讀信號和片選信號有效，此時SRAM3中的數(shù)據(jù)通過FIFO2進(jìn)入SRAM1和SRAM2.DMA_A[17..0]是FPGA里地址計數(shù)器產(chǎn)生的往SRAM1和SRAM2中寫數(shù)據(jù)時的地址。這樣，我們就可以通過控制XF的高低來選擇是誰占用SRAM3的總線。

5.2.2 SRAM1和SRAM2的分時復(fù)用

所謂分時復(fù)用就是指兩片顯示存儲器SRAM1和SRAM2依次向液晶提供顯示數(shù)據(jù)。它的工作原理如圖4-8所示。其中，View_S由XF反相后二分頻得到。

圖中各部分的工作狀態(tài)如下：

1. RAM3經(jīng)FPGA2向RAM2里寫數(shù)據(jù)。同時，RAM1的數(shù)據(jù)送LCD顯示。

2. DSP向RAM3里寫數(shù)據(jù)。同時，RAM2的數(shù)據(jù)送LCD顯示。

3. RAM3經(jīng)FPGA2向RAM1里寫數(shù)據(jù)。同時，RAM2的數(shù)據(jù)送LCD顯示。

4. DSP向RAM3里寫數(shù)據(jù)。同時，RAM1的數(shù)據(jù)送LCD顯示。

它的具體工作電路如圖4-9.

圖中，DMA_RWS[2..0]為固定的讀信號和片選信號有效。VIEW_A[15..0]為顯示時讀顯示RAM的地址。DMA_A[15..0]為寫顯示RAM時的地址。這兩個地址都由FPGA中的地址計數(shù)器產(chǎn)生。

數(shù)字存儲示波器的顯示基本包括兩部分，一部分是界面顯示部分，包括菜單的顯示，光標(biāo)的顯示等，另一部分是波形顯示部分，波形顯示部分是隨時在更新的，而菜單顯示部分更新的次數(shù)是很少，一般在不按鍵操作的情況下是很少改變的。所以我們采用分頁顯示，即將顯示存儲空間分成兩個區(qū)間，每個區(qū)間都是一屏顯示所需的空間即為240×320×2÷8=19200Bytes.一個區(qū)間用來顯示菜單，光標(biāo)等不常刷新的界面，一個區(qū)間用來顯示波形，LCD顯示時將兩個存儲區(qū)間里的對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)通過硬件電路相或以后再送LCD顯示。這樣在軟件處理是節(jié)省了重復(fù)刷屏的時間，也簡化了軟件的編寫。圖4-10為由顯示RAM中兩個的數(shù)據(jù)區(qū)間相或后送到LCD顯示的電路。其中SHIFT和SHIT1分別兩個區(qū)間的地址計數(shù)器的計數(shù)時鐘，它們的時鐘脈沖要求在一個CP周期內(nèi)完成，即兩個區(qū)間的數(shù)據(jù)讀取必須在一個CP時鐘周期內(nèi)才能保證正確的數(shù)據(jù)顯示。

第六章串行接口通訊

在很多現(xiàn)場測試場合，工程技術(shù)人員都需要獲得某種形式的測量結(jié)果的硬拷貝，以便以后作為參考資料使用，或者設(shè)備報告發(fā)生錯誤動作時需要查看以往的資料。另外，在很多情況下我們需要把示波表中的信號傳往PC機(jī)，同時在某些情況下，我們也可能希望用PC機(jī)來對示波表進(jìn)行控制，以上這些情況都要求示波表具有通訊能力。也就是說，示波表必須裝有通訊硬件以及其支持的軟件。我們稱此通訊用軟硬件為“接口”。常用的接口有兩種，RS-232接口和通用接口總線（GPIB），后者又稱為IEEE-488總線。與并行接口相比，串行接口的最大特點是減少了器件引腳數(shù)目，降低了接口設(shè)計復(fù)雜性。

串行通信是指數(shù)據(jù)按位依次傳輸，串行通信中要求發(fā)送和接受雙方必須遵守統(tǒng)一的規(guī)定，這樣才能保證正常進(jìn)行，這些對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定就是通信協(xié)議，通信協(xié)議包括數(shù)據(jù)格式和時間限制等方面的定義和要求等，通信協(xié)議可由用戶自己制定，也可采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

串行數(shù)據(jù)傳輸可分為同步和異步兩種模式。通用PC機(jī)的RS-232接口為通用異步接口UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），而MOTOROLA公司的串行外圍設(shè)備接口SPI、隊列SPI（QSPI）、PHILIPS公司的內(nèi)部IC總線（I2C），National公司的微總線（MICROWIRE）均為同步串行協(xié)議。目前幾乎所有的數(shù)字信號處理器都提供了一個或多個串行接口，然而，多數(shù)DSP芯片提供的是同步串口。在實際的應(yīng)用中，也需要DSP能夠與外設(shè)進(jìn)行異步串行通信，如與PC機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸就要求DSP系統(tǒng)具UART串行接口。針對這種情況，本文研究并實現(xiàn)了一種簡單、可靠的異步串口擴(kuò)展方法。

實際設(shè)計中，我們采用美國MAXIM公司的MAX3111串行異步收發(fā)器，與DSP的McBSP口直接連接，將同步數(shù)據(jù)變換為UART異步數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。硬件上無需任何其它外圍器件，同時由于異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由MAX3111以硬件方案實現(xiàn)，所以軟件編程需要考慮的也只是DSP與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。這樣，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現(xiàn)同步到異步的串行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

6.1 McBSP的功能與特點

TMS320VC5416具有3個高速、全雙工、多通道緩沖串行接口（McBSP），其方便的數(shù)據(jù)流控制可使其與大多數(shù)同步串行外圍設(shè)備接口。McBSP是在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)上對功能進(jìn)行擴(kuò)展的，除具有標(biāo)準(zhǔn)串口的功能特點外，其靈活性體現(xiàn)在如下幾個方面：

◆雙緩沖區(qū)發(fā)送，三緩沖區(qū)接收，允許連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸；

◆可與SPI、IOM-2、AC97等兼容設(shè)備直接接口；

◆可編程幀同步、數(shù)據(jù)時鐘極性，支持外部移位時鐘或內(nèi)部頻率可編程移位時鐘；

◆擁有相互獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收幀同步脈沖和時鐘信號；

◆多通道發(fā)送和接收，最多可達(dá)128個通道，速度可為100Mbit/s.

6.2 MAX3111通用異步收發(fā)器

MAX3111通用異步收發(fā)器是MAXIM公司專門為小型微處理系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計的UART，它包括一個振蕩器和一個可編程波特率發(fā)生器；具有一個可屏蔽的中斷源；另具有一個8字節(jié)的接收FIFO（先入先出）緩沖器。它應(yīng)用SPI/MICROWIRE接口技術(shù)直接與主控制器進(jìn)行通信，線路簡單、體積小，通信速率可達(dá)30kbit/s.另外其內(nèi)部除具有UART之外，還包括兩個RS-232電平轉(zhuǎn)換器，這樣無需再接入普通的MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，即可應(yīng)用一個芯片實現(xiàn)微控器（具有PI/MICROWIRE接口）與PC機(jī)或其它設(shè)備之間的異步數(shù)據(jù)傳輸。

MAX3111通過SPI接口與主設(shè)備進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的全雙工同步通信，即主設(shè)備傳送16位數(shù)據(jù)給MAX3111的同時，也可接收到MAX3111發(fā)送的16位數(shù)據(jù)。主設(shè)備在MOSI線上向MAX3111發(fā)送的16位串行數(shù)據(jù)序列中包括傳輸格式控制字，如波特率設(shè)備、中斷屏蔽、奇偶校驗位等，同時還有發(fā)送的數(shù)據(jù)字。MAX3111在MISO線上向主設(shè)備發(fā)送的16位數(shù)據(jù)序列中除了接收到的數(shù)據(jù)外，還包括中斷標(biāo)志等狀態(tài)位。所以通過16位的實時數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備可獲得MAX3111工作狀態(tài)信息，同時對其具有完全控制權(quán)利。這樣，兩個設(shè)備的控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息的實時通信就保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

6.3 TMS320VC5416與MAX3111的接口設(shè)計

TMS320VC5416的McBSP串行接口工作于時鐘停止模式時與SPI協(xié)議兼容，可直接與MAX3111進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)與RS-232設(shè)備進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸。此時DSP作為SPI協(xié)議中的主設(shè)備，其接口電路如圖6-1所示。

TMS320VC5416發(fā)送時鐘信號（BCLKX）作為MAX3111的串行輸入時鐘，發(fā)送幀同步脈沖信號（BFSX）作為MAX3111的片選信號（CS）。在這種方式下對接收時鐘信號（BCLKR）和接收幀同步信號（BFSR）將不進(jìn)行連接，因為它們在內(nèi)部與BCLKX和BFSX相連接。BDX與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，BDR與DOUT連接作為接收數(shù)據(jù)線。MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。MAX3111的中斷信號（IRQ）與DSP的外部中斷相連。

在SPI串行協(xié)議中，主設(shè)備提供時鐘信號并控制數(shù)據(jù)傳輸過程。由MAX3111接口電路時序圖6-2可知，必須設(shè)置DSP的McBSP于適當(dāng)?shù)姆绞讲拍鼙ＷC與MAX3111的時序相配合。

MAX3111要求在數(shù)據(jù)傳輸過程中CS信號必須為低電平，在傳輸完畢后必須為高電平。此信號由McBSP的BFSX引腳提供，因此必須正確設(shè)置DSP的幀脈沖發(fā)生器，使之在每個數(shù)據(jù)包傳輸期間產(chǎn)生幀同步脈沖，即在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡谝晃蛔優(yōu)橛行顟B(tài)，然后保持此狀態(tài)直到數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束。

McBSP的采樣率發(fā)生器產(chǎn)生適當(dāng)頻率的時鐘信號，由BCLKX引腳輸出，保證主從設(shè)備間的同步數(shù)據(jù)傳輸。因此必須正確設(shè)置DSP的采樣率發(fā)生器時鐘源（CLKSM）和時鐘降頻因子（CLKGDV）。根據(jù)SPI傳輸協(xié)議，必須正確設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送延遲時間（XDATDLY）。由圖6-2可知MAX3111要求在SCLK變高之間的半個周期開始傳輸數(shù)據(jù)。

所以必須為McBSP選擇合適的時鐘方案，即設(shè)置McBSP的時鐘停止模式。在本應(yīng)用中采用McBSP的時鐘停止模式2（CLKSTP=11b，CLKXP=0），這樣即可保證與MAX3111的時序相配合。

結(jié)論

經(jīng)過一年多的項目分析、論證、設(shè)計、制作及調(diào)試，現(xiàn)已完成本課題的設(shè)計任務(wù)，完成了樣機(jī)的制作。本課題是“100MHz數(shù)字存儲示波表”項目中數(shù)字系統(tǒng)部分。它是該項目的重要設(shè)計部分，通過本課題的研究，本文主要完成了以下幾點：

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)字存儲示波器與模擬示波器的主要不同之處，它完成模擬信號數(shù)字化，通過實時取樣和隨機(jī)取樣兩種取樣技術(shù)將模擬信號數(shù)字化。這里主要難點在于AD在高速采樣率下怎樣避免采樣時鐘的干擾和AD數(shù)據(jù)與FIFO的時序配合問題。

2.顯示控制電路實現(xiàn)。主要設(shè)計精髓在于在沒有專用控制芯片下，采用FPGA設(shè)計LCD顯示時序電路，完全由硬件電路實現(xiàn)LCD數(shù)據(jù)顯示流程以及多頁面數(shù)據(jù)顯示控制技術(shù)。

3.DSP與外部接口電路的設(shè)計。主要是通過MAX3111完成同步到異步的串行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

同時在設(shè)計和調(diào)試過程中遇到了以下幾點問題：

1.在調(diào)試LCD顯示時，顯示屏上某些點出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是LCD的顯示控制時序配合不好的緣故。重新調(diào)整時序后，閃爍現(xiàn)象消失。

2.在隨機(jī)取樣時，設(shè)計的展寬脈沖電路時，發(fā)現(xiàn)隨著MAXPLUSⅡ每次編譯的不同，波形恢復(fù)出現(xiàn)效果不一樣，有時能正?；謴?fù)，有時出現(xiàn)飛點，后來在選用FPGA時采用了工業(yè)級，效果非常好。

通過以上工作，示波表的硬件軟件調(diào)試工作已初步完成，考慮到項目設(shè)計和調(diào)試過程中碰到的問題以及與國外同類產(chǎn)品的比較，特提出了以下優(yōu)化建議：由于本課題采用了隨機(jī)取樣技術(shù)，它只能測出單一頻率的周期信號。對于非周期信號不能再現(xiàn)完整波形。故建議在經(jīng)后工作中提高實時取樣時鐘。全部采用實時取樣技術(shù)。這樣也簡化了軟件的設(shè)計。