基于Cortex-A7的实时信号处理示波器的研究

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随着数字化电路和大规模集成电路技术的不断发展,数字示波器的市场和技术逐渐成熟与完善。数字示波器作为电子信号测量常用的仪器之一,在各行各业都有着较为广泛的应用。它不仅具有采集、观测、处理、存贮信号的优点,而且还具有一定的运算和数据通信传输能力。但由于受硬件资源的限制,传统的示波器通常不具备较强的计算能力和波形分析功能,不能进行实时的信号处理,无法满足现场测量的需求,因此对实时信号处理示波器的研究是非常必要的。  本文提出了一种基于 Cortex-A7处理器的实时信号处理示波器的设计方案。该方案主要包括模拟通道,基于 FPGA的数据采集与传输模块,和采用 ARM Cortex-A7处理的信号实时处理及显示模块。根据示波器的性能指标,采用电子继电器和放大器 AD603等进行示波器模拟通道的设计,实现模拟信号的交直流耦合、衰减、放大以及偏置调节等功能。基于 FPGA进行数据采集和传输模块的设计,通过在FPGA内部构建AD控制模块,控制两片模数转换器AD9288并行交替采样;构建触发控制模块,控制比较器 TL3016CD完成触发功能;构建SPI传输模块,完成数据的传输,最终实现数字示波器的采集、触发、和数据传输功能。采用ARM Cortex-A7处理器进行数据处理和计算,利用OpenMP和多线程编程,完成多核并行运算,实现信号实时处理与显示模块的设计,并基于Linux平台进行了示波器软件功能界面的设计,主要包括“基本功能”、“触发菜单”、“测量菜单”、“实时信号处理”和“自定义”五大功能模块。  基于 Cortex-A7处理器对 FFT串行、并行方式进行对比,结果表明 Cortex-A7处理器并行方式的 FFT运算比串行方式的运算效率得到提升,当数据量为512时,并行比串行的加速比为2.18,且在一定范围内,加速比随着数据量的增加而增大。并对数字示波器工作在串、并行模式下的波形更新率进行比较,结果表明示波器的波形更新率在并行运算方式下最高可达108FPS,是串行方式的2.12倍,从而表明该示波器数据处理的实时性更好。
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