2018年02月04日 | 基于嵌入式WinCE 6.0 的脉冲/数据发生器软件

前 言

脉冲/数据发生器作为通用测试信号源，能够产生脉冲、群脉冲和数据三种类型的信号输出。参数连续可调的脉冲信号和大容量、多样化的数字信号，满足了高速数字设备中噪声容限的测试要求以及大型集成电路和射频系统的设计初期对激励信号源的需求。随着嵌入式技术的飞速发展以及广泛应用，利用嵌入式操作系统支持进行智能仪器设备开发正成为主流。Win CE系统是美国微软公司推出的一种32位嵌入式操作系统，可以实现实时、多任务、多线程操作，同时具备出色的图形用户界面。本文实现了一种以嵌入式WinCE 系统为支撑的脉冲/数据发生器应用软件设计。

1 系统设计方案

脉冲/数据发生器系统结构如图1所示，包括嵌入式系统、控制主板模块、触发模块、时钟模块以及模拟通道输出模块。整个系统中，各个模块按照一定作用互相支持，协调工作。

时钟模块能够产生系统所需的连续可调、高精度的时钟信号;触发模块用以接收外部触发信号，实现与外部电路的同步;模拟通道输出模块实现对前级产生的脉冲和数据信号的幅度、电平、沿的控制与调整;控制主板模块采用FPGA 来构建主控制逻辑系统，实现触发模式、时钟频率、脉冲产生和数据地址产生等相关控制。

嵌入式系统以及运行于其上的应用软件在整个系统结构中处于最前端。

通过仪器人机界面接收操作人员的指令并与后级的控制主板进行数据交换，最终由控制主板操控其后硬件模块完成用户指令，在模拟通道输出端得到相应的脉冲信号和串行数据信号。为了满足仪器设备实时性的要求，嵌入式操作系统选取WinCE 6.0,微处理器选择三星公司的S3C2440A,其内核为ARM920T,能够满足低价格、低功耗、高性能的需求。

2 人机界面开发软件集成开发环境选取微软公司提供的VisualStudio 2005.用于定制系统的Platform Builder for CE6.0 被作为插件集成到Visual Studio 2005 中，这样定制操作系统和开发应用程序都在同一开发环境下，避免频繁切换开发环境的麻烦。在完成WinCE 操作系统的定制、导出软件开发包SDK之后，便可以进行驱动程序和应用程序的开发[4].脉冲发生器作为现代电子测量仪器，其软件开发包含两部分：界面设计以及功能设计。

界面是人机之间信息传递的桥梁，是仪器的重要组成部分。界面设计需要完成简洁、友好的人机界面，用户通过操作界面完成对仪器的控制。人机界面软件流程如图2所示。功能设计则是建立在硬件模块的基础之上，围绕硬件模块分别实现仪器系统各个功能。

系统启动后，软件开机自动运行，首先进行开机自检，确认仪器各个硬件设备是否工作正常。然后主线程启动，进行初始化工作，依次初始化所有工程变量，创建并初始化所有页面为最近一次关机前的状态。接着进入消息循环和建立错误信息报告循环。程序不断检测错误消息队列看是否有错误发生，一旦发现错误消息队列有错误需要响应时，依次读取并处理错误消息报告，转而执行相应的功能。比如用户操作错误时，错误信息显示就会弹出，提示用户正确的操作方法，直至用户操作正确。如果有键盘消息到达，则通过主线程交给相应的各个页面去响应控件消息，达到与仪器操作人员进行信息交互的目的。整个人机界面设计基于CFormView类。键盘信息处理等模块被设计成动态链接库的形式，既节省了系统资源，同时也便于程序以后的维护和升级。

3 数据传输的实现

数据传输的功能为实现脉冲/信号发生器上层应用软件和底层硬件系统之间的数据通信。嵌入式WinCE6.0 操作系统通过对控制主板模块进行操作，最终实现对各个硬件的控制。ARM 的GPIO 口操作可以实现此功能需求。S3C2440A 提供了130个通用IO 口。

GPIO 操作主要由端口配置寄存器GPXCON、端口数据寄存器GPXDAT、设置接口上拉电阻寄存器GPXUP(其中X表示对应的GPA到GPJ端口)等寄存器来实现。

在WinCE 6.0 系统下，将GPIO 的实地址(例如S3C2440A 的GPIO 的基地址为0X56000000)映射到虚拟地址空间(对应为0XB1600000)，通过对这段虚拟地址空间的操作，就能够完成对GPIO或者其他片内资源的控制、输入输出工作。在编程中需要使用到两个关键函数VirtualAlLOC 和VirtualCopy.首先通过VirtualAlloc来获得一段虚拟地址空间的分配，然后VirtualCopy将一个虚拟地址绑定到一个物理地址上，从而实现对物理硬件的访问。为了增强系统的安全性和稳定性，WinCE 6.0加强了对虚拟地址访问的限制，驱动被放到内核空间下，使得WinCE6.0在应用程序中不能再直接对物理地址进行操作。虽然在上层应用程序中无法调用Virtu-alAlloc和VirtualCopy,但是可以在内核态下编写驱动程序，通过VirtualAlloc和VirtualCopy进行内存映射，故在WinCE6.0 系统下，访问物理地址可以采取的一种方法是：在内核模式中编写流驱动程序，将驱动程序编译到内核后再下载到NandFlash中。相关代码如下：

    　　volatile S3C2440A_IOPReg *v_pIOPRegs;

    　　/*申请空间*/

    　　v_pIOPRegs=

    　　(volatile S3C2440A_IOPReg *) VirtualAlLOC (0,

    　　sizeof

    　　(S3C2440A_IOPReg)，

    　　MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);

    　　i(f /*申请空间失败*/)

    　　{/*进行错误处理并返回*/

    　　} else {/*进行映射*/

    　　if (!VirtualCopy ( (PVOID) v_pIOPRegs, (PVOID)

    　　(S3C2440A_IOBase》8) , sizeof (S3C2440A_IOPReg) ,

    　　PAGE_READWRITE|PAGE_NOCACHE ))

    　　{/

    　　*如果映射失败，释放申请的空间并返回*/}}

S3C2440A整合了多种接口和总线。基于通用片选nGCSn 的SRAM 接口具有配置简单、逻辑控制信号少、寻址以及数据读写的速度高的特点，因此选择nGCS2作为片选信号，同时搭配写使能信号nWE 以及读使能信号nOE完成对脉冲/数据发生器单数据通道的操作。

nGCS2片选信号为低有效，对应的端口是PortA,其第13 位用来实现nGCS2 的控制，对应的配置寄存器是GPACON,数据寄存器是GPADAT,它们分别对应的物理地址为0X56000000 和0X56000004.当GPA13 设置成0时候，nGCS2为普通输入输出口;设制成1的时候，nGCS2成为使能信号。其他信号设置与此类似。在本项目中，nGCS2按照要求被设置成使能信号：

BWSCON 是总线位宽和延时控制寄存器，它可以用来配置8 b、16 b或者32 b的总线宽度。将其设置为32 b的总线宽度：

v_pMEMRegs - >rBWSCON=(v_pMEMRegs - >rBWSCON~(0XF《8))(| 0XE《8);驱动编译到内核的过程如下：在BSP中创建驱动文件夹并开发流驱动程序。完成后，再创建makefile 文件、模块导出文件以及用于编译的sources文件。最后在注册表中添加GPIO 流驱动程序，将驱动添加到NK中，用Visual Studio 2005 中的Platform Builder 6.0 编译得到NK.bin文件，下载到NandFlash中。

4 程序移植及系统测试

人机界面以及各功能模块开发完成之后，需要进行应用程序的移植。ActiveSync 6.1可以实现连接装有桌面Windows的PC机和WinCE设备。通过它可以使用串口、USB端口、以太网或红外线连接在移动设备和PC之间创建同步关系。在本项目中，选择使用USB口建立连接，这就需要首先安装BSP下面的USB驱动。建立连接之后，将编译好了的应用程序下载到定制好的WinCE 6.0系统中，即可实现应用程序在嵌入式WinCE 6.0系统中的运行。脉冲/数据发生器功能包括多样化触发、时钟发生、脉冲生成、脉冲参数可控、信号时延可控、串行数据发生等各项功能。利用嵌入式软件编程实现的友好简洁的人机界面如图3所示。通过现场测试表明该软件操作简便，使用函数生成数据时界面刷新无明显迟滞，具有一定健壮性，能有效处理用户误操作。图4显示为频率设置成50 MHz、脉宽设置为1 ns 时，脉冲/数据发生器输出通道所输出的脉冲波形。

5 结语

本文结合WinCE 6.0嵌入式系统，制定脉冲/数据发生器软件实现方案，实现了脉冲/数据发生器界面设计、嵌入式应用程序移植、上层软件与底层硬件的数据通信等工作。经过实际测试及运行，开发的脉冲发生器软件平台运行稳定，界面简洁美观且易于操作，上层应用软件功能齐全，系统的实时响应能力达到仪器的设计要求。