基于DSP的数字存储示波器显示控制系统的设计

数字存储示波器(DSO)是近年来发展起来的一种先进的测量仪器，与传统的模拟示波器相比，它具有很多的优点。DSO的基本思想就是通过先进的数字化测试技术实现传统的示波器所不具备的功能，如长期存储波形、显示大量的预触发信息、根据程序进行全自动的测量、将波形输出到打印机或绘图仪上或将波形传送给计算机、将一些先进的数字信号处理算法加入到程序中等。
　　目前，数字存储示波器的显示器主要采用LCD(液晶显示)和CRT来完成。LCD显示器价格高，一般用于高档的数字存储示波器中。在许多场合，对显示并没有很高的要求，故在中低档示波器中，CRT显示器仍占主流。CRT显示器又分为两类：随机扫描式和光栅扫描式。前者的缺点在于难以生成具有多种灰度连续变化的图形，应用面小；而后者广泛应用在各种场合。基于此研制一种结构简单、性能可靠、价格低廉、通用性强、应用小型光栅扫描式显示器的DSO显示控制板是非常必要的。本系统就是应要求开发的具有四级灰度的DSO显示控制板。
1 系统硬件结构
　　数字存储示波器显示控制系统的硬件结构框图如图1所示。

　　整个系统可划分为主机接口电路、数据处理电路、显示控制电路三个部分。DSP通过主机接口取得前端控制信息及相应的采集数据，并将采集数据转化为屏幕上的逻辑坐标。随后，DSP根据主机要求，将相应控制信息传送给显示控制芯片(ACRTC)。ACRTC将逻辑坐标转换为显示存储器中对应的物理地址，并对显示存储器进行刷新。在点时钟的控制下，两片74HC166分别将显示存储器中16位并行数据的偶数位和奇数位转换为串行点数据。两组对应移出的点数据构成一个像素的视频数字信号,再进行D/A转换，就形成具有四级灰度的视频信号；这样在ACRTC提供的行、场同步及消隐信号的配合下，就可控制显示器进行显示。
2 主要功能模块的设计
2.1 主机接口电路
　　主机接口主要由DSP自身的主机接口及多处理器信号端共同构成。
　　TMS320VC5409的主机接口为标准型主机接口(HPI-8)，其主要电路由HPI存储器(DARAM)、HPI地址寄存器(HPIA)、HPI数据锁存器(HPID)、HPI控制寄存器(HPIC)及HPI控制逻辑构成。在TMS320VC5409与主机连接时，HPI作为主机的一个外部设备。
　　HPI-8提供8位数据宽度，在接收主机数据时，HPI-8能自动地将外部接口传送的8位数据组合成16位数据，然后传送给DSP。在该系统中，HPI-8占用8个主机外设地址。通过选择不同的低三位地址可对HPI-8的不同寄存器进行访问。
　　多处理器信号XF用于避免主机和DSP对HPI-8访问时可能产生的时间上的冲突——在DSP完整读取一组数据之前，主机已将其中某些数据进行了修改，这样DSP获得的是一组错误的序列。
　　多处理器信号BIO用于配合DSP指令XC(该指令可根据BIO电平的高低改变程序的流向)判断该次传输的是数据帧还是指令帧，并进入相应的处理程序。
　　同时，主机和DSP之间还可以通过主机接口相互发送中断请求，而不需要添加任何外部电路，只需修改HPIC中相应的状态位便可实现。
2.2 数据处理电路
　　这里，核心器件使用TI公司的高性能DSP——TMS320VC5409-100。TMS320VC5409定点数字信号处理芯片采用六级流水线和一套专用的指令集，最高处理能力可达100MIPS，其功耗低、性价比高。TMS320VC5409片内只有32K双寻址RAM和16K ROM，无法满足系统需求，故外扩了一片256K×16bit容量的SST39VF400，配置相应空间用于存储程序、菜单和字模。由于采用了DSP作微处理器，因而容易实现数字存储示波器软件功能的升级，以不断满足市场对示波器数据处理能力的要求。
2.3 显示控制电路
　　显示控制部分包括显示控制芯片HD63484、显示存储器、并/串转换电路和D/A电路等。
　　显示控制芯片采用HITACHI公司的HD63484-P8。这是一款典型的第二代通用型高级显示控制芯片，具有以下特征：
　　·丰富的画图命令，包括画点、直线、折线、矩形、多边形、圆/弧以及区域填充等。
　　·可控制的显示存储器最大可达2M字节，字符RAM最大可达128K字节。
　　·画图速度快，画图命令可直接使用X-Y坐标，与存储器物理地址的对应关系由硬件自动计算完成。
　　·内有16×16像素图案RAM，在指定点画图符或者写汉字均非常方便。
　　·显示屏幕可分为上、中、下三个显示分区和一个窗口，其位置和大小可以任意设定，还可以实现水平和垂直方向的平滑滚动。
　　·图形允许水平或垂直方向放大1～16倍。
　　HD63484作为标准的外部设备与MPU连接，占用两个MPC的I/O空间。HD63484不具备指令存储器，仅有一个很小的指令缓冲区(16字FIFO，8字读，8字写)，因而不能对其进行独立的编程控制，必须由其它芯片完成。高速的DSP可完成这一工作。DSP接收主机数据，根据需要控制HD63484进行所需的显示控制工作。因此，对HD63484的控制实际上也就变为了对DSP的编程。DSP是通过发送命令和参数来实现对HD63484的控制(以HD63484指定的命令和参数的形式)的。
　　另外，考虑到DSP I/O部分的工作电压为3.3V，而HD63484工作电压为5V，故在它们之间接了电平转换芯片。
　　显示存储器用于存储经HD63484处理后的数据，用一个字的相邻两位构成一个像素的灰度数据，两位共有四种组合，因而可构成四级灰度，便于波形比较。并/串转换电路在点时钟的控制下将显存中的数据串行移出,经过D/A电路转换后送往显示器。
　　由于灰度较少，这里的D/A电路仅需进行两位的D/A转换；但同时又对速度要求较高，故需高速的DAC才能满足要求。本系统没有采用专用的集成器件，而是利用基本数字及模拟器件构成，避免了不必要的资源浪费，且效果良好。

3 系统软件的设计
3.1 主机与显示控制板通讯的协议流程
　　前端主机通讯流程如图2所示，显示控制板通讯流程如图3所示。
3.2 帧结构及帧处理程序流程
　　需传送的帧可分为两种：数据帧、控制帧。
　　数据帧用来传输波形的采样数据，其基本结构为：
　　对于控制帧类型示波器，由于其显示要求相对简单，只要求能够同时显示两路波形及简单的菜单，故可对其显示内容进行分块。每一模块对应一自定义变量，主机只需修改相应的变量值，便可实现对显示的控制。其基本结构为：

　　数据帧处理程序流程如图4所示，控制帧处理程序流程如图5所示。

　　数据帧处理程序只进行数据的接收，并不进行任何显示控制工作。控制帧处理程序根据主机所要求的显示方式对各个变量进行修改，并驱动HD63484实现对屏幕的刷新。
　　考虑到本文系统所需汉字、字符较少，这里将汉字、字符统一按图形处理，因而将HD63484设置为图形工作方式，简化了结构。可以将本显示控制系统应用于数字存储示波器的显示控制中，其设计思路具有一定的通用性。通过修改DSP软件，该显示控制板可与各种MPU或主机相连。本显示控制系统能应用于多种场合，特别是在计算机化的测量仪器和工业控制领域，作为显示部件,能以更直观的方式显示出测量结果和菜单。