【正文】 放的，這樣我們就能方便地?cái)U(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通過(guò)外部總線控制器（EMC）也可以使我們方便、高速地控制LCD控制器，簡(jiǎn)化了顯示部分的電路設(shè)計(jì)。 軟件需求分析智能多用表所要實(shí)現(xiàn)的功能較多，控制對(duì)象和控制任務(wù)也很復(fù)雜，在這種情況下，如果采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)形式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，將是非常困難的，即時(shí)實(shí)現(xiàn)了某些功能，也難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。鑒于此，我們需要選用一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，這可以很好的滿足我們的要求[4][5][6]。2uC/OSII的簡(jiǎn)單介紹 uC/OSII是Jean 、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，代碼絕大部分是用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫的。到現(xiàn)在為止，uC/OSII已經(jīng)被移植到了40多種微處理器上，這些微處理器從8位到64位都有，在各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)有數(shù)千個(gè)應(yīng)用使用該內(nèi)核。它有很好的穩(wěn)定性和可靠性。uC/OSII是一個(gè)公開(kāi)源代碼的操作系統(tǒng)，代碼很短（約5500行）。與一些商用的公開(kāi)代碼的實(shí)時(shí)內(nèi)核相比，它的源代碼清晰易讀，結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，注釋詳盡?，F(xiàn)在很多高等學(xué)校將uC/OSII應(yīng)用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)教學(xué)。uC/OSII具有可移植性，絕大部分源代碼是用C語(yǔ)言編寫的；而與微處理器密切相關(guān)的部分用匯編語(yǔ)言編寫。但這一部分內(nèi)容很少，方便使用者將內(nèi)核移植到自己的微處理器上，移植uC/OSII很簡(jiǎn)單，耗時(shí)為幾小時(shí)到幾天不等，完全取決于操作者的水平和所使用的微處理器的復(fù)雜程度。實(shí)踐證明uC/OSII可以在很大一部分微處理器上運(yùn)行。用戶一旦移植uC/OSII到自己的微處理器，就可以在此基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用程序，并把uC/OSII作為自己產(chǎn)品的一部分固化在里面。uC/OSII是可裁剪的，用戶可以根據(jù)自己的需要決定使用內(nèi)核中的多少成分。裁剪可以通過(guò)定義宏來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易行。可剝奪性和多任務(wù)也是uC/OSII的重要特性，它總是運(yùn)行處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。uC/OSII可以管理64個(gè)任務(wù)，用戶可以使用其中56個(gè)。絕大多數(shù)uC/OSII的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性。uC/OSII提供了很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、塊大小固定的內(nèi)存申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。中斷可以掛起uC/OSII正在執(zhí)行的任務(wù)，中斷退出后執(zhí)行的任務(wù)是當(dāng)前就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，而不一定是被中斷的任務(wù)。這就要求每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧，保存任務(wù)切換和被中斷時(shí)環(huán)境的上下文變量?；趗C/OSII具有以上優(yōu)點(diǎn)，我們選用uC/OSII作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。 智能多用表系統(tǒng)整體框架本系統(tǒng)采用ARM核心的LPC2138處理器作為本智能多用表的嵌入式系統(tǒng)微處理器，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 21：微處理器顯示控制單元LCM鍵盤控制擴(kuò)展RAM數(shù)據(jù)緩沖模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬通道模擬通道模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖CH電阻/電壓/電流圖 21 智能多用表整體結(jié)構(gòu)本次所設(shè)計(jì)的智能多用表含有萬(wàn)用表和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，數(shù)字存儲(chǔ)示波器共有一個(gè)通道CH。圖 21是本智能多用表的整體結(jié)構(gòu)框圖，從該框圖可以看出，除微控制器外，智能多用表主要由模擬通道、數(shù)據(jù)緩沖、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器擴(kuò)展和人機(jī)交互接口組成。輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬通道的處理后經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由微控制器處理。各個(gè)部分都有相應(yīng)的功能模塊電路構(gòu)成，詳細(xì)功能框圖如圖 22液晶顯示電路lcd模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D按鍵開(kāi)關(guān)電路S電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路R/U電流/電壓轉(zhuǎn)換電路I/U放大/衰減電路輸入電容/電壓轉(zhuǎn)換電路C/U電源頻率測(cè)量電路圖 22 智能多用表詳細(xì)功能框圖如圖22所示為智能萬(wàn)用表的測(cè)量基本原理框圖。本圖中主要由按鍵開(kāi)關(guān)電路、各種轉(zhuǎn)換電路、頻率測(cè)量電路、衰減/放大電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和液晶顯示電路組成，其中衰減/放大電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是本系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)由LPC2138來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能單元的操作與控制，輸入的被測(cè)信號(hào)先是經(jīng)過(guò)衰減/放大電路，然后再通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)分三路分別送入AD采樣單元，由微控制器發(fā)送相應(yīng)的控制字來(lái)控制各個(gè)參數(shù)的測(cè)量，并在測(cè)量完后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和在液晶顯示屏上顯示。 ARM核心的LPC2138處理器介紹LPC2138處理器是采用ARM7TDMIS核，ARM7TDMIS核是通用的32位微處理器內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISCReduced Instruction Set Computer）原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。由此可見(jiàn)，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就非常容易實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量核實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。下圖為2138處理器的內(nèi)核。ARM7TDMIS使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)就對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出，如同23所示：取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行 取指譯碼執(zhí)行 圖23 ARM單周期指令3級(jí)流水線操作ARM7TDMIS處理器使用了一個(gè)被稱為Thumb的獨(dú)特結(jié)構(gòu)化策略，非常適合那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用?；赥humb的一個(gè)關(guān)鍵的概念就是“超精簡(jiǎn)指令集”。基本上，ARM7TDMIS處理器具有以下兩個(gè)指令集： 標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集 16位Thumb指令集Thumb指令集的16位指令長(zhǎng)度，使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，而這些優(yōu)勢(shì)是使用16位寄存器的16位處理器所不具備的。因?yàn)門humb代碼和ARM代碼一樣，是在相同的32位寄存器上進(jìn)行操作。Thumb代碼僅為ARM代碼規(guī)模的65%，但其性能卻是連接到16位存儲(chǔ)器系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%。第3章 外圍電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能源提供者，電源性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。由于本系統(tǒng)不但含有數(shù)字電路，還含有模擬電路，尤其是含有對(duì)噪聲極為敏感的A/D轉(zhuǎn)換器件，所以模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)該單獨(dú)供電，這樣才能降低噪聲和出錯(cuò)幾率，基于這種考慮，本系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了模擬電源和數(shù)字電源，兩者之間的地通過(guò)一個(gè)大電感連接在一起。模擬電源和數(shù)字電源的的前端都是通過(guò)變壓器經(jīng)橋式整流后提供的，此部分電路如圖 ：圖 31 變壓器橋式整流電路需要采用模擬電源供電的主要包括運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，模擬電源電路原理圖如圖 2，為了降低紋波，其輸出級(jí)增加了二級(jí)濾波電路。圖 321 正負(fù)5負(fù)模擬電源電路原理圖圖 322 正負(fù)12負(fù)模擬電源電路原理圖 需要采用數(shù)字電源供電的主要有A/D轉(zhuǎn)換器、高速FIFO、多路選擇開(kāi)關(guān)、按鍵控制芯片等，數(shù)字電源電路如下：圖 33 數(shù)字電源電路圖 由于數(shù)字系統(tǒng)對(duì)電源的紋波及噪聲要求都比較低，故在電路中沒(méi)有加LC濾波電路。 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路作用是將輸入的信號(hào)通過(guò)一定的比例進(jìn)行衰減或放大，得到滿足ADC測(cè)量范圍的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理由輸入保護(hù)、耦合電路、衰減器、放大器、跟隨器組成。1. 輸入耦合、保護(hù)和電壓跟隨電路圖 34 耦合、輸入保護(hù)、跟隨器部分圖 為輸入耦合、保護(hù)和電壓跟隨部分電路原理圖。MAX4187為270MHz四通道電流反饋型運(yùn)算放大器[9]。繼電器K1控制耦合方式，三極管Q1處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Q1截止，繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)信號(hào)通過(guò)電容C25耦合輸入運(yùn)放的同相輸入端，只有交流信號(hào)通過(guò)，即處于交流耦合狀態(tài)；，Q1飽和導(dǎo)通，此時(shí)繼電器處于常閉狀態(tài)，輸入信號(hào)直接至運(yùn)放的同相輸入端，即處于直流耦合狀態(tài)。DD2為肖特基二極管，將輸入運(yùn)放的電壓鉗位在177。，防止被測(cè)信號(hào)的電壓過(guò)高燒壞后級(jí)元器件，起輸入保護(hù)作用。2. 信號(hào)衰減電路由于ADC的輸入信號(hào)需在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)過(guò)大時(shí)，就需要先對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的衰減，來(lái)滿足ADC的參數(shù)要求。在本示波器中，為了使不同幅度的信號(hào)都能夠衰減到同一范圍內(nèi)，衰減倍數(shù)共設(shè)置1120六級(jí)[10]。圖 35 信號(hào)衰減電路圖 為本系統(tǒng)的信號(hào)衰減電路，信號(hào)從運(yùn)算放大器的反相端輸入，C30作運(yùn)放的相位超前補(bǔ)償，以消除自激振蕩。MAX4167是美信公司生產(chǎn)的8選1高速模擬開(kāi)關(guān)，典型條件下，選通時(shí)電阻值僅為8Ω，非選通的通道衰減達(dá)93dB，輸入輸出頻率特性曲線在50MHz時(shí)仍相當(dāng)平坦，其功能框圖見(jiàn)圖 3[7] [8] [9]圖 36 MAX4617功能框圖 A、B、C為選通控制引腳，X為公共端，X0~X7為模擬輸入端，ENABLE為使能端，低電平有效，其真值表如表 31：表 01 MAX4617真值表為了得到不同的衰減倍數(shù)，、B、A電平狀態(tài)來(lái)選擇相應(yīng)的X0~X5，從而改變電阻網(wǎng)絡(luò)的分配，得到不同的衰減倍數(shù)?，F(xiàn)設(shè)置當(dāng)Xout連接到不同的Xn時(shí)，電壓衰減倍數(shù)如表 332：表 02 所選開(kāi)關(guān)和電壓衰減倍數(shù)關(guān)系開(kāi)關(guān)選擇電壓衰減倍數(shù)Xout－X020Xout－X116Xout－X212Xout－X38Xout－X44Xout－X52為了滿足表 332的倍數(shù)關(guān)系，由，運(yùn)放的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有如下關(guān)系： (1)對(duì)上述方程組進(jìn)行整理，可得： (2)此方程組共6個(gè)方程，7個(gè)未知量，屬不完全約束，有無(wú)窮多組解，但要人工計(jì)算得到一組合適的解是比較麻煩的，為此可以借助MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)解決。上述線性方程組的系數(shù)矩陣調(diào)用MATLAB的rref（）函數(shù)可得系數(shù)矩陣的行最簡(jiǎn)形：由于線性方程組的右端,方程組(2)是齊次線性方程組,故由系數(shù)矩陣的行最簡(jiǎn)形直接可得： （3）若取，則此時(shí)，當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)選擇的衰減倍數(shù)為20時(shí)，運(yùn)算放大器的輸入阻抗僅為，這對(duì)信號(hào)的的處理是很不利的。為了增大運(yùn)放的輸入阻抗，并且各個(gè)電阻的阻值都盡量合理，所取值能夠通過(guò)現(xiàn)有電阻簡(jiǎn)單的并聯(lián)或串聯(lián)得到（標(biāo)稱值），可取，此時(shí)，，此時(shí)運(yùn)算放大器輸入阻抗約為。通過(guò)以上分析可知，只要控制好MAX4167的C、B、A電平狀態(tài)，就能得到相應(yīng)的信號(hào)衰減倍數(shù)。在圖 中，C、B、。由于MAX4167的供電電壓為5V，而LPC2290的I/，所以不能直接使用LPC2290的I/O與它相連。此時(shí)使用一個(gè)NPN三極管做反相器即可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這樣LPC2290就可以正確的操作MAX4167了。另外，由于多路選擇開(kāi)關(guān)MAX4617的內(nèi)阻是跟運(yùn)放的輸入阻抗串連在一起的，并沒(méi)有接入反饋網(wǎng)絡(luò)，所以MAX4617不會(huì)影響電壓放大倍數(shù)。3. 信號(hào)放大電路當(dāng)被測(cè)信號(hào)電壓過(guò)大時(shí)需要進(jìn)行衰減，同樣，當(dāng)被測(cè)信號(hào)電壓過(guò)小時(shí)，就要對(duì)其進(jìn)行電壓放大，以得到最佳的ADC轉(zhuǎn)換精度。圖 37 信號(hào)電壓放大電路37為本系統(tǒng)的信號(hào)放大電路，信號(hào)從運(yùn)算放大器的同相端輸入。在此系統(tǒng)中，共設(shè)置了50、100六級(jí)放大，與信號(hào)衰減時(shí)的處理方法類似，、B、A電平狀態(tài)來(lái)選擇相應(yīng)的X0~X5，從而改變電阻網(wǎng)絡(luò)的分配，得到不同的放大倍數(shù)。現(xiàn)設(shè)置當(dāng)Xout連接到不同的Xn時(shí)，電壓放大倍數(shù)如表 33：表 03 所選開(kāi)關(guān)和電壓放大倍數(shù)關(guān)系開(kāi)關(guān)選擇電壓放大倍數(shù)Xout－X02Xout－X14Xout－X28Xout－X310Xout－X450Xout－X5100為了滿足表 03的放大倍數(shù)關(guān)系，由，運(yùn)放的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有如下關(guān)系： （4）對(duì)上述方程組進(jìn)行整理，并采用與信號(hào)衰減部分相同的處理方法，可得如下關(guān)系式： （5）取，依次可算得，（由電阻串聯(lián)得到），（由電阻串聯(lián)得到），（電阻串聯(lián)得到）。由于在圖 所示的信號(hào)衰減電路中，信號(hào)從運(yùn)放的反相端輸入，輸出電壓與輸入電壓具有反相的關(guān)系，而信號(hào)放大時(shí)輸出電壓與輸入電壓同相，故與反相，此時(shí)可再將反相，即可得到與同相的電壓信號(hào)，此即圖 中的U1D運(yùn)放部分（放大倍數(shù)為），此時(shí)得到的電壓可直接送入AD9288模擬輸入引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的作用就在于保證每次采集的數(shù)據(jù)，都是從輸入信號(hào)上的一個(gè)精確確定的點(diǎn)開(kāi)始，這樣每一次掃描的波形就是同步的，從而顯示穩(wěn)定的波形。如果沒(méi)有觸發(fā)電路在屏幕上看到的將會(huì)是具有隨機(jī)起點(diǎn)的很多波形雜亂重疊的圖象，如圖 8和圖 9所示。對(duì)于數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，觸發(fā)實(shí)際上參與了確定波形的存儲(chǔ)起點(diǎn)[1]。圖 38 不正常觸發(fā)時(shí)顯示的波形圖 39 正常觸發(fā)時(shí)顯示的波形在本系統(tǒng)中，共設(shè)置了上升沿和下降沿兩種觸發(fā)方式，這種觸發(fā)信號(hào)來(lái)源于整波電路，見(jiàn)Error! Reference source not 。系統(tǒng)事先根據(jù)用戶不同的觸發(fā)選擇來(lái)設(shè)置相應(yīng)的外部中斷觸發(fā)方式，如用戶選擇上升沿觸發(fā)，則將EINT3中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)，LPC2290產(chǎn)生EINT3中斷后通過(guò)使能高速FIFO的寫信號(hào)來(lái)啟動(dòng)新一輪的AD采樣，從而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能。圖 310 整波電路 頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)頻率或周期的測(cè)量在示波器設(shè)計(jì)中是必不可少的，一方面它作為用戶直接使用的最基本功能；另一方面，示波器必須根據(jù)頻率或周期自動(dòng)地調(diào)整時(shí)基，改變ADC的采樣速度和FIFO的讀寫速度，完成示波器對(duì)外界信號(hào)的自動(dòng)測(cè)試功能。要測(cè)量信號(hào)的頻率，就必須先對(duì)信號(hào)整形成為標(biāo)準(zhǔn)的方波。一般地，測(cè)量頻率或周期的方法有測(cè)頻法和測(cè)周法兩種，對(duì)于整形后頻率較高的信號(hào)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)周期的時(shí)鐘信號(hào)作為門限，利用定時(shí)器對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方式，來(lái)確定被測(cè)信號(hào)的頻率。如果是頻率較小、周期較大的信號(hào)，采用上述方式顯然誤差是較大的，此時(shí)就可以以整形后信號(hào)作為門限，讓定時(shí)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)達(dá)到測(cè)量頻率的目的。由于LPC2138的定時(shí)器0的捕獲中斷可以測(cè)量頻