摘要：介紹嵌入式μClinux操作系統；在該操作系統上使用Motorola MC68VZ328 CPU、FIFO存儲器，設計實現一種數字存儲示波器；在軟件實現上，利用μUlinux的多任務特性。系統最大采樣頻率為40MHz，具有LCD顯示和觸摸屏界面。
關鍵詞：嵌入式系統 數字存儲示波器 FIFO 多任務
數字存儲示波器是一種具有數據存儲、預觸發、波形存儲、便于與PC機通信等特點和優點的便攜式智能儀器，廣泛應用于機械故障檢查、野外作業、工業現場等。本文介紹的便攜式數字存儲示波器構建于嵌入式μClinux操作系統平臺之上，采用Motorola公司的龍珠系列MC68VZ328（以下簡稱VZ328）芯片作為處理器，采樣頻率與放大幅度可通過觸摸屏調節；系統成本低、操作簡單，可實現采集、存儲和分析功能，具有實際應用前景。
1 嵌入式系統簡介
1.1 嵌入式μClinux系統
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機為基礎，軟硬件可裁減，適用于系統對功能、可靠性、成本、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經過小型化裁減后，能夠固化在容量只有幾百K字節存儲器芯片或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統。嵌入式Linux的開發和研究是目前操作系統領域的一個熱點。
本文介紹的系統采用一種優秀的嵌入式操作系統——μClinux。它主要面對non-MMU的處理器，其主要特征為[1]：
①是一個多任務的嵌入式操作系統；
②內核小，只有512K左右；
③同Linux系統的API保持一致；
④繼承了Linux系統成熟的網絡協議棧；
⑤支持一些主要的文件系統，如：FAT、EXT2、ROMFS、JFFS。
1.2 處理器簡介
圖2 FIFO工作時序
VZ328是Motorola公司MC68328 CPU家庭龍珠系列中的第一款。VZ328基于Motorola FLX68K核，內部還集成了控制邏輯和SDRAM、LCD、SPI、UART、定時器/PWM和多達76位的通用I/O（GPIO）。運行在33MHz時，VZ328處理能力為5.4MIPS。該處理器主要針對外部設備較少的手持設備，工作電壓為3.3V。
2 系統構成
2.1 系統組成
系統組成框圖如圖1所示。
圖1中，ADC采用的是Philips公司的8位高速并行A/D，最高采樣頻率為40Msps。采用的是IDT公司1024×9位先進先出FIFO存儲器。由于該款FIFO的最高存取速度為35ns，為了保證系統40Msps的采樣頻率，我們通過使用雙FIFO與A/D相連接，A/D輸出的數據輪流存入FIFO A和FIFO B中來保證整個系統的性能。采樣信號與FIFO存儲器讀和寫的工作時序如圖2所示。VZ328與采集卡之間的接口詳見2.2節。
2.2 系統接口設計
系統使用了VZ328的I/O端口讀取數據并發出控制信號。具體方案如圖3所示。
系統利用J口實現數據的輸入輸出，利用D口和G口來進行控制。J口在輸入數據進要求該口的方向寄存器PJDIR置為0，在輸出數據時要求PJDIR置為1。采集的信號經過A/D變換后首先進入FIFO存儲器，當從FIFO中每讀出一個數據后需要再向其發送一個讀數脈沖信號，這樣才能保證正確讀出下一個單元內存儲的數據。該讀數脈沖由G口的第四位PG4給出。數據從FIFO存儲器中被讀出后經過鎖存器進入端口J的數據寄存器PJDATA中，鎖存信號由D口的第四位PD4給出。當CPU讀周期到來時，數據由端口被讀入內存。采樣頻率控制信號由J口的J5、J6、J7三位輸出，數據采集復位信號RESET由J口的J0位輸出，兩者的鎖存信號均由D口的PD5給出。類似地，幅值控制信號由J口的J0、J1、J2三位輸出，鎖存信號由D口的PD7給出。此外，每當數據采滿1K時，FIFO存儲器會產生一個中斷信號INT。該信號由D口的PD6輸入。
2.3 系統軟件結構
基于嵌入式Linux的數字示波器系統主要分為數據采集和存儲模塊、波形顯示和刷新模塊以及觸摸屏控制模塊三個部分。系統軟件由Linux下的C語言編程實現。
（1）數據采集和存儲模塊
采集存儲模塊流程如圖4所示。
系統首先向采集卡發送所要求的頻率和幅值信號，然后發出復位信號RESET，采集卡開始采集數據。采集到的數據經過FIFO存儲器，由J口讀入內存并存入指定數據緩沖區之中。在存儲過程中，采用了雙緩沖區機制，數據按1K大小分塊，相鄰的兩塊數據交替存放在內存的不同區域中。在每讀入1K個數據之后，內存中都存在連續的2K個采樣數據，這樣有助于以后對數據的處理和顯示。
（2）波形顯示和刷新模塊
本系統中使用一塊大小為240×320像素的黑白液晶顯示屏。VZ328為LCD的控制提供了良好的支持，其實現主要通過LCD控制器完成。
存放在內存中的數據經過坐標變換之后就可以在LCD上進行顯示了。在顯示之前，因為LCD的坐標系與顯示波形時所用的坐標系y軸方向相反，且需要將波形顯示在屏幕的特定區域內，所以要對數據進行歸一化處理。從端口讀入數據的范圍為0～0XFF，0點對應于LCD上y軸坐標的190，0XFF對應于LCD上y軸坐標的50，則0X7F對應于LCD上坐標為120的點，即屏幕顯示的零點。相應的轉化公式為
Y=120-(DATA-0X7F)×70/0X7F
其中DATA為從端口讀入的數據；
Y是DATA在LCD上顯示的y坐標。
LCD一屏可以顯示300個數據點，點與點之間用矢量法直線相連。
（3）觸摸屏控制模塊
觸摸屏是附著在LCD表面的一層透明薄膜，它將壓力轉換成模擬電信號，模擬信號再經過A/D轉換被采樣。觸摸屏的工作流程如圖5所示。
觸摸屏通過中斷方式完成其功能。從執行流程上來說，首先在TouchPanel_init()中完成兩件事：注冊驅動程序和注冊中斷。
對于觸摸屏設備，主設備號為58，設備名為“ts7843”，驅動程序子函數集為TouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release
四個操作子函數的地址依次為
ReadTouchPanel、TouchPanelSelect、OpenTouchPanel和CloseTouchPanel。
當用戶進程調用open()打開/dev/ts7843時，內核調用OpenTouchPanel()；用戶進程調用read()讀該設備時，內核調用ReadTouchPanel()。request_irq()注冊中斷處理，中斷為TOUCHPANEL_IRQ_UNM，中斷處理程序為TouchPanelInterrupt（），說明為“TouchPanel”。
當觸摸屏有數據來到時，中斷被觸發，調用中斷處理程序，準備處理數據。
在本系統中，觸摸屏主要用于改變采樣的頻率和幅值放大倍數。在LCD的上方有四個長方形區域，分別對應著幅值增加、幅值減小、頻率增加和頻率減小。幅值和頻率的選定值存放在指定內存單元中，在觸摸屏檢測到觸摸點的坐標在相應區域中后，就會根據程序預先設定好的順序和數值為增加或減少幅值或頻率。
2.4 μClinux多任務系統與共享內存管理
在傳統的單片機系統中，軟件往往是個控制環，讓多個功能模塊按順序執行。在一個功能較多的系統中，為了保證系統的各項性能，程序會變得越來越復雜和龐大。由于μClinux是一個多任務的嵌入式操作系統，內核允許將一項工作劃分成幾個相互獨立的任務，應用程序的設計得到了簡化；更重要的是縮小了整個系統的響應時間，提高了系統性能。數字存儲示波器的設計需要進行數據采集。對于這樣的系統來說，應盡可能地少丟失數據采樣點。在μClinux中可同時運行多個任務，且前臺任務比后臺任務具有較高的優先級，因此，合理的方案是將采集部分和顯示部分安排在前臺，而將觸摸屏控制部分放在后臺運行。這樣可以保證整個系統有效地完成各項功能。
數字示波器在采樣和顯示過程中，要求可以隨時改變采樣頻率和幅值，所以在前后臺任務之間需要進行同步和通信。任務之間的通信是通過共享指定的物理內存單元來實現，不同任務之間對共享內存單元的訪問是互斥的。ΜClinux的設計針對沒有MMU的處理器，不能使用虛擬內存管理技術。ΜClinux系統對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的址都是實際的物理地址，操作系統對內存空間沒保護。當觸摸屏檢測到有改變幅值或頻率的信號發生時，就去修改指定單元中存儲的數據，這樣的內存單元對于兩個任務來說屬于臨界資源。在觸摸屏修改內存期間，需要禁止其它程序對該內存進行任何操作。同樣，采集程序每次在發送幅值和頻率信號之前，要對該內存單元進行讀操作。若在此時有觸摸屏信號對內存提出寫操作要求，程序就應該進行等待，直到采集部分的讀操作執行完畢，釋放內存的訪問權。
3 結論及展望
經實踐證明，基于嵌入式Linux的40MHz數字存儲示波器的設計，是具有一定可用性及可靠性的。在目前已有功能的基礎上，我們還將開發頻譜分析等更多的功能。整個系統設計體現了嵌入式Linux系統適應性強、體積小、成本低、開放源代碼、開發使用容易等特點。由于使用了μClinux，系統的控制邏輯結構清晰，與普通的單片機系統相比，在對功能的進一步擴展、移植及接入網絡等方面都有著極大的優勢。