實(shí)用數(shù)字示波器的微處理器硬件設(shè)計(jì)方案

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，電信號(hào)越來(lái)越復(fù)雜化和瞬態(tài)化，開(kāi)發(fā)人員對(duì)測(cè)量領(lǐng)域必不可少的工具——數(shù)字示波器的性能提出了越來(lái)越高的要求。最大限度提高實(shí)時(shí)采樣率和波形捕獲能力成為了國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)字示波器生產(chǎn)廠商研究的重點(diǎn)，實(shí)時(shí)采樣率和波形捕獲率的提高又必然帶來(lái)大量高速波形數(shù)據(jù)的傳輸、保存和處理的問(wèn)題。因此，作為數(shù)字示波器數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的中樞，微處理器性能至關(guān)重要。本文選用TI公司的雙核 DSP OMAP-L138作為本設(shè)計(jì)的微處理器，并實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字示波器微處理器硬件設(shè)計(jì)。

數(shù)字示波器的基本架構(gòu)

目前數(shù)字示波器多采用DSP、內(nèi)嵌微處理器型FPGA或微處理器+FPGA架構(gòu)。雖然內(nèi)嵌微處理器型FPGA靈活性強(qiáng)，可以充分進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，便于系統(tǒng)升級(jí)且FPGA外圍電路簡(jiǎn)單。但是該類型FPGA屬于高端FPGA，價(jià)高且供貨渠道難得，不適合低成本的數(shù)字示波器使用。若單獨(dú)使用 DSP，雖然其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，運(yùn)行速度較高，但DSP的控制能力不突出，且數(shù)字示波器的采樣率越來(lái)越高，DSP內(nèi)部不能做數(shù)據(jù)流降速和緩存，當(dāng)設(shè)計(jì)采用高實(shí)時(shí)采樣率的 ADC，就得選用頻率更高且內(nèi)部存儲(chǔ)資源更豐富的DSP，而此類DSP一般都價(jià)格昂貴，同樣不適合低成本的數(shù)字示波器使用。因此，微處理器+FPGA架構(gòu)的方案是本設(shè)計(jì)首選。微處理器+FPGA架構(gòu)的數(shù)字示波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 微處理器+FPGA架構(gòu)的數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

被測(cè)信號(hào)經(jīng)模擬通道運(yùn)放調(diào)理后送到ADC器件;ADC轉(zhuǎn)換器將輸入端的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過(guò)FPGA緩存和預(yù)處理;微處理器對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算;最后將波形送到屏幕上顯示，完成一次采集過(guò)程。同時(shí)采集過(guò)程中觸發(fā)電路不斷監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)，看是否出現(xiàn)觸發(fā)狀態(tài)，觸發(fā)條件決定了波形的起始位置，觸發(fā)系統(tǒng)能夠保證被測(cè)波形能夠穩(wěn)定的顯示到屏幕上。

微處理器選型

本設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)采樣率高達(dá)2Gsps，需要微處理器實(shí)時(shí)處理的波形數(shù)據(jù)量很大。同時(shí)微處理器要實(shí)現(xiàn)模擬通道控制、高速ADC采樣控制、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制、LCD顯示控制等。因此兼具強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和優(yōu)異控制能力的微處理器成為本設(shè)計(jì)首選。

基于這些要求，本設(shè)計(jì)選擇了TI公司的OMAP- L138 DSP。此芯片是TI公司2009年推出的一款高性能處理器芯片。該芯片特點(diǎn)如下：

1、采用C6748 DSP內(nèi)核與ARM9內(nèi)核的雙核結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)300 MHz的單位內(nèi)核頻率。利用片上ARM9，開(kāi)發(fā)人員可充分利用DSP內(nèi)核支持高強(qiáng)度的實(shí)時(shí)處理計(jì)算，同時(shí)讓ARM負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)任務(wù)。

2、豐富的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。其中ARM核內(nèi)部有16KB的L1程序Cache和16KB的數(shù)據(jù)Cache;DSP核采用二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，包括 32KB 的L1程序Cache、32KB 的數(shù)據(jù)Cache和256KB 的L2統(tǒng)一映射SRAM，該二級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu)可以為所有載入、存儲(chǔ)以及處理請(qǐng)求提供服務(wù)，可以為CPU提供高效、高速的數(shù)據(jù)共享;此外在ARM核與DSP 核之間還有高達(dá)128KB的片上RAM，可被ARM核、DSP核以及片外存儲(chǔ)器訪問(wèn)。

3、豐富的外設(shè)資源。主要包括1個(gè)EMIFA口，可接16bit SDRAM或者NOR/NAND Flash;1個(gè)EMIFB口，可接16bit的DDR2(最高頻率150MHz)或16bit mDDR (最高頻率133MHz);3個(gè)UART接口;2個(gè)SPI接口;2個(gè)I2C接口;1個(gè)EMAC控制器;1個(gè)USB2.0接口和1個(gè)USB1.1接口;1個(gè) LCD控制器;1個(gè)SATA控制器;1個(gè)uPP接口;1個(gè)VPIF接口;4個(gè)64位通用定時(shí)器。豐富的外設(shè)資源不僅可以為示波器提供與PC機(jī)、便攜式 USB接口設(shè)備通信的接口，而且極大減少DSP外圍電路的設(shè)計(jì)規(guī)模，

4、低功耗。采用1.2V內(nèi)核電壓，1.8V或3.3V I/O接口電壓，在深度睡眠模式下功耗僅有6mW，正常工作模式下功耗約為420mW。

此外OMAP-L138為浮、定點(diǎn)兼容DSP，使用硬件來(lái)完成浮點(diǎn)運(yùn)算，可以在單周期內(nèi)完成，這一優(yōu)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜算法時(shí)尤為突出，為復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)處理提供了保證。OMAP-L138還可與C6748 DSP實(shí)現(xiàn)引腳對(duì)引腳兼容，從而使客戶可采用不同的處理器同時(shí)開(kāi)發(fā)多種不同特性的產(chǎn)品。

數(shù)字示波器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)ADC選用Atmel公司的AT84AD001，該芯片有兩個(gè)通道，每個(gè)通道采樣率高達(dá)1Gsps，拼合可實(shí)現(xiàn)2Gsps的實(shí)時(shí)采樣率;FPGA選用 Xilinx公司Spartan-3A系列的XC3S400A芯片，該芯片內(nèi)有8064個(gè)邏輯單元，360Kbit塊RAM，56Kbit分布式 RAM，4個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM)，311個(gè)I/O口。300KB容量的SRAM芯片外掛在FPGA上作深存儲(chǔ)用，由于SRAM存儲(chǔ)器容量比 FPGA內(nèi)部緩存FIFO大得多，能夠存儲(chǔ)更多的波形數(shù)據(jù)，因而能觀察到更多的波形細(xì)節(jié)。采用64Mbit容量的SPI Flash存儲(chǔ)示波器掉電需要保存的數(shù)據(jù)，例如程序代碼、Boot loader程序、中英文字庫(kù)、開(kāi)機(jī)畫面等。

基于OMAP-L138的示波器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中，被測(cè)信號(hào)進(jìn)入模擬通道調(diào)理后送入ADC，ADC對(duì)模擬信號(hào)采樣、量化后，進(jìn)入FPGA數(shù)據(jù)流降速和數(shù)據(jù)同步處理，然后根據(jù)存儲(chǔ)深度要求選擇存入 FPGA內(nèi)部FIFO或者存入片外SRAM，待FPGA內(nèi)部FIFO或者片外SRAM滿標(biāo)志有效后，DSP讀取采樣數(shù)據(jù)存入DDR2 SDRAM，并完成一系列復(fù)雜的處理和運(yùn)算，如FFT、插值和濾波等，再存入在DDR2內(nèi)拓展的顯示存儲(chǔ)區(qū)，待需要顯示時(shí)再由DSP讀取顯存中的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部集成的LCD控制器采用DMA方式將數(shù)據(jù)送到LCD顯示，完成一次采集過(guò)程。

OMAP-L138與DDR2的接口電路設(shè)計(jì)

OMAP- L138內(nèi)部集成的DDR2/Mobile DDR控制器可外接工作頻率150MHz的DDR2 SDRAM或者工作頻率133MHz的Mobile DDR。本設(shè)計(jì)采用DDR2 SDRAM作為系統(tǒng)后級(jí)波形數(shù)據(jù)緩存器。較之SDRAM，DDR2 SDRAM不僅讀寫速度可大幅提高，存儲(chǔ)容量更是得到極大擴(kuò)展，示波器因而能夠存儲(chǔ)更多波形數(shù)據(jù)并觀察到更多的波形細(xì)節(jié)，提高示波器對(duì)復(fù)雜信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)的捕獲概率。本設(shè)計(jì)的DDR2 SDRAM選用鎂光公司的DDR2 800內(nèi)存顆粒，型號(hào)為MT47H64M16，容量為1Gbit，核心工作電壓為1.8V，核心工作頻率為400MHz，由于OMAP-L138內(nèi)部的 DDR2控制器最高工作頻率為150MHz，所以此系統(tǒng)中DDR2需要降頻使用。OMAP-L138與DDR2的接口連接示意圖如圖3所示：