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1、基于uc/os-II的数字示波器系统设计贺洪江 王国杰 （河北工程大学 信息与电气工程学院，河北省 邯郸市 056038）He Hongjiang Wang Guojie(Engineering College of Information and Electrical Hebei University of Engineering, Handan city Hebei province, 056038)【摘要】 本文介绍一种基于SamsungS3C 44BOX ARM处理器及嵌入式uc/os-II和uc-gui操作系统下的便携式数字示波器的设计，该设计充分利用ARM微控制器在uc/os-II
2、和uc-gui平台上实现多任务程序运行及实时处理并可利用TCP/IP协议通过网络与PC机实现数据共享。该方案具有LCD屏显示、体积小、重量轻、功能强、携带方便，能够很好的实现波形的图形显示。关键字： ARM； uc/os-II嵌入式系统； uc-gui图形系统；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
3、 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 ve
4、ry well with display of LCD, small cubage, light, more function and portability.Keywords: ARM; uc/os-II; uc-gui; tcp/ip引言数字示波器相对于传统示波器是一种具有数据及波形的实时显示和存储、体积小、功能实现方便、系统成本低、功耗低、通过TCP/IP协议可方便的与PC机通信等优点的便携式智能仪器，本文介绍的图形示波器是构建于嵌入式uc/os-II操作系统及基于该系统的uc-gui图形界面平台之上，采用三星S3C44BOX 芯片作为处理器，LCD屏的显示频率与幅度可根据采样波形的实际
5、值自动调节，网络控制芯片采用RTL8019及基于嵌入式uc/os-II操作系统TCP/IP协议。该设计集数据采集、显示、存储、分析和通信等多项功能于一体。可广泛应用于机械故障检查、野外作业、工业现场等，具有实际应用前景。系统框图如1所示。按键S344B0X数据采集缓冲SDRAMNOR FLASHLCD显示RTL8019图1 ARM系统结构图1 系统构成1.1 数据采集缓冲系统由A/D采集和FIFO存储缓冲组成。由于数字示波器取样频率要求较高，而S3C44BOX处理器内带ADC的工作频率最高只能达到50kH z，所以必须单独设计一个A/D转换采集系统，本文A/D采用的是美国德州仪器公司（TI）生
6、产的ADS1605，它是高速、高精度的16位Delta-Sigma模数转换器（ADC）。其采样速率为5MSPS，带宽为2.45MHz; 非线性失真（THD）为99dB，无失真动态范围（SFDR）为101dB。简易的并行数字输 出数据接口方便用户接口设计。FIFO存储器是一种具有存储功能的高速逻辑芯片，可在高速数字系统中用作数据缓存。IDT72V3680属于IDT公司的高密度supersyncTM36位系列存储器IDT72V36403690中的一种，其存储结构为16，38436。这一系列CMOS工艺的FIFO（先入先出）芯片具有极大的深度。 数据采集缓冲系统接口如图2所示。隔离放大滤波增 益AD
7、CFIFO RAM数据锁存ARM处理器频 率图2 数据采集缓冲系统图1.2 系统接口设计系统使用S3C44BOX微处理器I/O端口中的C端口实现数据的输入输出，通过F端来进行控制。模拟信号经过A/D变换后首先进入FIFO存储器，当从FIFO中每读出一个数据后需要再向其发送一个读数脉冲信号，这样才能保证读出下一个单元内存储的数据，读数脉冲由 F端口的第四位PF0给出。数据从FIFO存储器中被读出后经过数字锁存器进入端口C的数据寄 存器PCDATA中，数字锁存信号由F端口的PF1给出。当处理器读周期到来时，数据由端 口被读入内存。每当数据采满300时，FIFO存储器会产生一个中断信号，该中断信号由
8、F端口 的PF3输入给微处理器。 1.3 通讯和显示模块系统采用RTL8019AS高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用NE2000兼容适配器，支持16k，32k，和64k 字节BROM 和闪存接口。用16k 字节SRAM 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了SRAM 存储资源。显示模块使用一块大小为240320像素的256彩色液晶显示屏。微处理器S3C44BOX为LCD的控制提供了良好的支持，其实现主要通过本身自带的LCD控制器来完成。波形的显示主要通过图形系统uc-gui将数字量转换成液晶显示屏上点的坐标来实现。2 软件结构数字示波器软件设计主要包括uc/
9、os-II和uc-gui系统移植、波形显示程序、TCP/IP通信协议、数据采集和存储等几个部分。2.1 uc/os-II和uc-gui嵌入式图形界面系统uc/os-II是一种源码公开、可移植、可固化、可裁减、占先式的实时多任务操作系统。适合以ARM为微控制器的实时多任务控制。具有可确定性、中断管理、任务栈、提供多系统服务、稳定性和可靠性强等特点。uc/os-II的移植非常方便，44B0X完全满足系统的移植条件，因此可以进行uc/os-II的移植。uc/os-II的体系结构如图：应用软件核心代码（处理器无关）OS_CORE . COS_MBOX . COS_MEM . COS_Q . COS_S
10、EM . COS_TASK . COS_TIME . CuCOS_II . H设置代码（应用相关）OS_CFG . HINCLUDES . H移植代码（处理器相关）OS_CPU . HOS_CPU_A . ASMOS_CPU_C . C图 4 uc/os-II的体系结构图 3 uc/os-II的体系结构图uc/os-II的主要第是基于与处理器相关的代码部分，这一部分包括一个头文件，一个汇编文件和一个C代码文件，在uC/OS-II的移植过程中所需要关注的就是这三个文件。uc-gui是一种用于嵌入式应用的图形支持软件，它能工作于单任务或多任务的系统环境中。uc-gui适用于所有的CPU，这主要由于
11、它是由ANSI的C语言编写的。uc-gui移植包括以下几部分：第一步：定制uc-gui通过修改LCDCONF.H（有关LCD液晶显示的参数控制）来定制uc-gui，主要定义一些数据类型、有关显示方案和LCD显示开关设置。第二步：定义访问地址和规则在GUICONF.H（基本的GUI预定义控制）和GUITOUCHCONF.H（有关触屏的控制预定义）定义了访问规则，通过修改使其符合系统要求。第三步：GUI_X.C文件的修改首先在GUI_X.C中定义三个函数void GUI_X_Log (const char *s) 、void GUI_X_Warn (const char *s) 、void GUI
12、_X_ErrorOut(const char *s) 。由于在uc-gui的应用中有一些跟时间相关的函数使用的是uc/os-II的OS_Time函数，因此要对这部分函数进行修改。2.2 基于嵌入式的TCP/IP通信协议本系统采用的网络通讯协议是基于“TCP/IP网络协议+嵌入式实时操作系统+MAC层驱动程序” 解决方案，适用于以太网应用的中小型嵌入式系统。网络协议在uc/os-II上的移植是基于协议栈lwIP和uc/os-II的构建。lwIP是一套用于嵌入式系统的轻量级（light weight）TCP/IP协议栈，包括TCP，UDP，ICMP，IP，ARP，DHCP协议，既可以移植到操作系统
13、上，又可以在无操作系统的情况下独立运行。lwIP提供移植接口，lwIP挂接以太网Mac驱动程序，这个过程包括lwIP输出与网卡驱动的挂接、Mac驱动程序发送协议包、接收Mac层协议包、Mac驱动程序发送中断服务、应用软件接口的调用，这包括TCP/IP应用接口、uc/os-II系统的调用接口。其结构图如下：uc/OS-IIlwIPMac驱动程序其他驱动启动程序应用程序接口图 4 网络通讯结构图3 程序流程首先，系统进行初始化、A/D转换初始化、uc-gui初始化、uc/os-II初始化及创建多任务。流程图如3所示。系统硬件初始化A/D初始化Uc-gui初始化创建任务用户界面、网络初始化启动多任务
14、调度主任务消息处理任务一任务二图 5 主程序启动和运行流程图在任务一中，CPU首先根据设定值向A/D数据采集系统发送所要求的频率和幅值信号并启动转换，采集系统开始采集数据。采集到的数据经过FIFO存储器，由C口读入内存并存入指 定 数据缓冲区之中。在每读入300个字节数据之后，CPU对数据进行处理和显示。对消息查询来确定是否通过网络协议共享数据。对于uc/os-II，任务之间的通信是通过任务之间发送消息来实现的。在任务二中，建立消息循环，通过它来响应键盘的消息。4 结论嵌入式系统在各个领域的研究和应用已经成为热点，对于自动化仪表的发展而言，采用新的设计模式，选择高性能的嵌入式微处理器，在实时操
15、作系统的强大支持下，设计和开发高级智能化网络化的新型仪器仪表，必将成为行业发展的趋势。示波器作为通用的测量设备，应用非常广泛。基于嵌入式的数字存储示波器在功能上、经济上和频带宽度都是模拟示波器难以比拟的，目前数字示波器已有大于10GHz的产品，数字取样示波器的频带宽度已达到80GHz。通过TCP/IP协议利用存储示波器本身和外部计算机可以方便地进行分析、存档和其他处理，为工业现场应用和科学实验提供了很大的方便。参考文献1 王田苗. 嵌入式系统设计与实例开发-基于ARM微处理器与uc/os-II实时操作系统(第2版). 清华大学出版社. 2003.7.312 赵彩云. 基于DSP的数字示波器GU
16、I的开发. 今日电子. 2006.043 普源精电推出DS1000系列数字示波器. 中国现代教育装备. 2006.034 沈怀洋. 数字示波器的校准.计量技术.2005.055 Rebecca Suemnicht,. 如何选择混合信号示波器. 今日电子. 2006.016 凌明,浦汉来,张宇. 基于uITRON操作系统的嵌入式GUI设计. 单片机与嵌入式系统应用. 2006.027 Micrim Technologies Corporation. uc/gui-Graphical User Interface with Graphic Library version 3.2. 作者简介：贺洪江 教授 河北工程大学信息与电气工程学院副院长 主要从事电机控制、嵌入式工业控制、电力系统保护等领域的研究 王国杰 河北工程大学信息与电气工程学院研究生联系地址：河北工程大学信息与电气工程学院院办（河北邯郸市光明路199号）联系电话：0310-7428737
