基于DSP的數(shù)字存儲(chǔ)示波器顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
目前,數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示器主要采用LCD(液晶顯示)和CRT來完成。LCD顯示器價(jià)格高,一般用于高檔的數(shù)字存儲(chǔ)示波器中。在許多場合,對顯示并沒有很高的要求,故在中低檔示波器中,CRT顯示器仍占主流。CRT顯示器又分為兩類:隨機(jī)掃描式和光柵掃描式。前者的缺點(diǎn)在于難以生成具有多種灰度連續(xù)變化的圖形,應(yīng)用面小;而后者廣泛應(yīng)用在各種場合?;诖搜兄埔环N結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價(jià)格低廉、通用性強(qiáng)、應(yīng)用小型光柵掃描式顯示器的DSO顯示控制板是非常必要的。本系統(tǒng)就是應(yīng)要求開發(fā)的具有四級灰度的DSO顯示控制板。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)字存儲(chǔ)示波器顯示控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)可劃分為主機(jī)接口電路、數(shù)據(jù)處理電路、顯示控制電路三個(gè)部分。DSP通過主機(jī)接口取得前端控制信息及相應(yīng)的采集數(shù)據(jù),并將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為屏幕上的邏輯坐標(biāo)。隨后,DSP根據(jù)主機(jī)要求,將相應(yīng)控制信息傳送給顯示控制芯片(ACRTC)。ACRTC將邏輯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示存儲(chǔ)器中對應(yīng)的物理地址,并對顯示存儲(chǔ)器進(jìn)行刷新。在點(diǎn)時(shí)鐘的控制下,兩片74HC166分別將顯示存儲(chǔ)器中16位并行數(shù)據(jù)的偶數(shù)位和奇數(shù)位轉(zhuǎn)換為串行點(diǎn)數(shù)據(jù)。兩組對應(yīng)移出的點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)像素的視頻數(shù)字信號,再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,就形成具有四級灰度的視頻信號;這樣在ACRTC提供的行、場同步及消隱信號的配合下,就可控制顯示器進(jìn)行顯示。
2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)
2.1 主機(jī)接口電路
主機(jī)接口主要由DSP自身的主機(jī)接口及多處理器信號端共同構(gòu)成。
TMS320VC5409的主機(jī)接口為標(biāo)準(zhǔn)型主機(jī)接口(HPI-8),其主要電路由HPI存儲(chǔ)器(DARAM)、HPI地址寄存器(HPIA)、HPI數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)、HPI控制寄存器(HPIC)及HPI控制邏輯構(gòu)成。在TMS320VC5409與主機(jī)連接時(shí),HPI作為主機(jī)的一個(gè)外部設(shè)備。
HPI-8提供8位數(shù)據(jù)寬度,在接收主機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),HPI-8能自動(dòng)地將外部接口傳送的8位數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)據(jù),然后傳送給DSP。在該系統(tǒng)中,HPI-8占用8個(gè)主機(jī)外設(shè)地址。通過選擇不同的低三位地址可對HPI-8的不同寄存器進(jìn)行訪問。
多處理器信號XF用于避免主機(jī)和DSP對HPI-8訪問時(shí)可能產(chǎn)生的時(shí)間上的沖突――在DSP完整讀取一組數(shù)據(jù)之前,主機(jī)已將其中某些數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改,這樣DSP獲得的是一組錯(cuò)誤的序列。
多處理器信號BIO用于配合DSP指令XC(該指令可根據(jù)BIO電平的高低改變程序的流向)判斷該次傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)幀還是指令幀,并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。
同時(shí),主機(jī)和DSP之間還可以通過主機(jī)接口相互發(fā)送中斷請求,而不需要添加任何外部電路,只需修改HPIC中相應(yīng)的狀態(tài)位便可實(shí)現(xiàn)。
2.2 數(shù)據(jù)處理電路
這里,核心器件使用TI公司的高性能DSP――TMS320VC5409-100。TMS320VC5409定點(diǎn)數(shù)字信號處理芯片采用六級流水線和一套專用的指令集,最高處理能力可達(dá)100MIPS,其功耗低、性價(jià)比高。TMS320VC5409片內(nèi)只有32K雙尋址RAM和16K ROM,無法滿足系統(tǒng)需求,故外擴(kuò)了一片256K16bit容量的SST39VF400,配置相應(yīng)空間用于存儲(chǔ)程序、菜單和字模。由于采用了DSP作微處理器,因而容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件功能的升級,以不斷滿足市場對示波器數(shù)據(jù)處理能力的要求。
2.3 顯示控制電路
顯示控制部分包括顯示控制芯片HD63484、顯示存儲(chǔ)器、并/串轉(zhuǎn)換電路和D/A電路等。
顯示控制芯片采用HITACHI公司的HD63484-P8。這是一款典型的第二代通用型高級顯示控制芯片,具有以下特征:
豐富的畫圖命令,包括畫點(diǎn)、直線、折線、矩形、多邊形、圓/弧以及區(qū)域填充等。
可控制的顯示存儲(chǔ)器最大可達(dá)2M字節(jié),字符RAM最大可達(dá)128K字節(jié)。
畫圖速度快,畫圖命令可直接使用X-Y坐標(biāo),與存儲(chǔ)器物理地址的對應(yīng)關(guān)系由硬件自動(dòng)計(jì)算完成。
內(nèi)有1616像素圖案RAM,在指定點(diǎn)畫圖符或者寫漢字均非常方便。
顯示屏幕可分為上、中、下三個(gè)顯示分區(qū)和一個(gè)窗口,其位置和大小可以任意設(shè)定,還可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的平滑滾動(dòng)。
圖形允許水平或垂直方向放大1~16倍。
HD63484作為標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備與MPU連接,占用兩個(gè)MPC的I/O空間。HD63484不具備指令存儲(chǔ)器,僅有一個(gè)很小的指令緩沖區(qū)(16字FIFO,8字讀,8字寫),因而不能對其進(jìn)行獨(dú)立的編程控制,必須由其它芯片完成。高速的DSP可完成這一工作。DSP接收主機(jī)數(shù)據(jù),根據(jù)需要控制HD63484進(jìn)行所需的顯示控制工作。因此,對HD63484的控制實(shí)際上也就變?yōu)榱藢SP的編程。DSP是通過發(fā)送命令和參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對HD63484的控制(以HD63484指定的命令和參數(shù)的形式)的。
另外,考慮到DSP I/O部分的工作電壓為3.3V,而HD63484工作電壓為5V,故在它們之間接了電平轉(zhuǎn)換芯片。
顯示存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)經(jīng)HD63484處理后的數(shù)據(jù),用一個(gè)字的相鄰兩位構(gòu)成一個(gè)像素的灰度數(shù)據(jù),兩位共有四種組合,因而可構(gòu)成四級灰度,便于波形比較。并/串轉(zhuǎn)換電路在點(diǎn)時(shí)鐘的控制下將顯存中的數(shù)據(jù)串行移出,經(jīng)過D/A電路轉(zhuǎn)換后送往顯示器。
由于灰度較少,這里的D/A電路僅需進(jìn)行兩位的D/A轉(zhuǎn)換;但同時(shí)又對速度要求較高,故需高速的DAC才能滿足要求。本系統(tǒng)沒有采用專用的集成器件,而是利用基本數(shù)字及模擬器件構(gòu)成,避免了不必要的資源浪費(fèi),且效果良好。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
3.1 主機(jī)與顯示控制板通訊的協(xié)議流程
前端主機(jī)通訊流程如圖2所示,顯示控制板通訊流程如圖3所示。
3.2 幀結(jié)構(gòu)及幀處理程序流程
需傳送的幀可分為兩種:數(shù)據(jù)幀、控制幀。
數(shù)據(jù)幀用來傳輸波形的采樣數(shù)據(jù),其基本結(jié)構(gòu)為:
對于控制幀類型示波器,由于其顯示要求相對簡單,只要求能夠同時(shí)顯示兩路波形及簡單的菜單,故可對其顯示內(nèi)容進(jìn)行分塊。每一模塊對應(yīng)一自定義變量,主機(jī)只需修改相應(yīng)的變量值,便可實(shí)現(xiàn)對顯示的控制。其基本結(jié)構(gòu)為:
數(shù)據(jù)幀處理程序流程如圖4所示,控制幀處理程序流程如圖5所示。
數(shù)據(jù)幀處理程序只進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,并不進(jìn)行任何顯示控制工作。控制幀處理程序根據(jù)主機(jī)所要求的顯示方式對各個(gè)變量進(jìn)行修改,并驅(qū)動(dòng)HD63484實(shí)現(xiàn)對屏幕的刷新。
考慮到本文系統(tǒng)所需漢字、字符較少,這里將漢字、字符統(tǒng)一按圖形處理,因而將HD63484設(shè)置為圖形工作方式,簡化了結(jié)構(gòu)??梢詫⒈撅@示控制系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示控制中,其設(shè)計(jì)思路具有一定的通用性。通過修改DSP軟件,該顯示控制板可與各種MPU或主機(jī)相連。本顯示控制系統(tǒng)能應(yīng)用于多種場合,特別是在計(jì)算機(jī)化的測量儀器和工業(yè)控制領(lǐng)域,作為顯示部件,能以更直觀的方式顯示出測量結(jié)果和菜單。
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