摘　要：本文介绍了函数\任意波发生器的组成及工作原理。给出了基于ADI公司的ADSPBF531芯片的系统硬件及软件实现方案，该设计能够满足客户目前及未来测试需求的多用途解决方案。实现结果表明该设计方案合理、可靠，并具有十分方便的用户可操作性。
关键词：函数\任意波发生器；DSP；ADSPBF531；直接数字合成；VisualDSP++ 4.0 内核。

1引言

函数\任意波发生器被广泛应用在科研、教学、工程等领域，用以产生各种信号波形，以适应用户在各种场合的需求方案。

目前，国内的函数\信号发生器的品种在国际市场上均为低端产品，除了信号的性能指标方面的原因之外，就是在系统的整体性、用户的可操作性、远程访问等功能上不及国外产品考虑得周详。虽然实现的功能大同小异，但是更加人性化的设计，使得国外的同类产品更具优势。

为了弥补国内产品在这方面的缺陷，我们开发出的这款函数\信号发生器除了实现基本的波形输出、波形编辑等功能之外，更是注重了图形用户界面的设计，以及远程internet访问功能。新的用户图形界面使得用户能够比以往更加容易生成、编辑波形。而远程访问功能可以让用户在远程终端操作仪器。除此之外，为了更大程度上方便用户，我们还设计了一套文件管理系统，以允许用户存储、读取设置的波形。

2 系统工作原理

我们设计的这款函数\任意波发生器是采用直接数字合成（DDS）的信号生成技术。使用直接数字合成（DDS）信号生成方法可以非常容易地创建或复制各种复杂的波形。

如图1所示，所需波形的数字数据流是从波形存储器SRAM中按顺序读取，作为数模转换器(DAC) 的输入。DAC 的时钟频率设定为200 MHz （即信号发生器的采样频率）。DAC的输出端将输出一系列近似于所需波形的电压阶梯波，然后使用低通“防混叠”滤波器进行滤波，使得电压阶梯波变得更加平滑，接近于所需波形。

图1 直接数字合成（DDS）信号生成原理图

3 系统硬件设计

3.1系统硬件组成及工作过程

该系统通过中断响应用户的键盘按键信息，或者远程的按键信息，结合用户图形界面（GUI）当前的显示状态，DSP处理器决定当前用户需要的波形的各种参数，包括：波形形状（比如正弦波、方波、或者用户自行定义的波形）、波形频率、波形幅度、波形的调制状态（比如调幅AM、调频FM、调相PM）等等以及其他的依据具体波形的波形参数。这些参数由DSP处理器送到FPGA中进行波形配置、并产生波形周期点存于SRAM中。FPGA根据配置的波形对SRAM送到DAC的数据进行控制，对DAC进行幅度控制，从而输出各种需要的波形，再经滤波器滤波，得到用户需要的波形。

图2 系统硬件电路框图

3.2 DSP处理器

我们采用ADI公司的Blackfin531芯片做为系统的处理器。16位定点DSP内核，可以实现400MHz的持续工作；4GB统一寻址空间。

3.3 人机界面

人机界面包括键盘、液晶显示。

键盘包括六个波形形状选择键，六个模式键，五个菜单选项建，以及触发键和波形输出键、旋钮键。用户通过键盘可以选择载波的波形，决定波形的调制方式，通过菜单选项建以及旋钮设置波形参数。还可以查看随机帮助，设置系统参数，进行波形存储等操作。

320x240的256色彩色液晶显示屏能够显示丰富多彩的波形图案、波形参数，以及文件管理器的界面。在很大程度上方便了用户。我们用一个CPLD来驱动液晶显示屏。CPLD接收从DSP送过来的时钟信号，并将此时钟信号分频成帧同步信号、行同步信号，并负责同步这些信号。每一个时钟的上升沿，从SDRAM的特定显示缓存中读取8bits的数据到液晶显示屏的缓存。而每个帧信号的下降沿标示一帧的开始，一帧信号周期中包含240个行信号。每个行信号的周期中包含320/8 = 40 个时钟信号。如此，一幅图像就可以从SDRAM的缓存中写入到液晶显示屏的缓存中，并显示出来了。

3.4 FPGA波形配置

DSP将载波波形形状、波形频率、幅度、偏移量、占空比、调制方式、调制周期、调制深度等波形参数通过SPI口，传给FPGA。FPGA通过这些参数来生成SRAM中的波形周期点。并根据波形的频率设置来控制SRAM中的波形点的输出。当频率高的时候，FPGA对SRAM的地址扫描要快；频率低的时候，访问SRAM的地址的速率就低。如果是调频波，那么访问SRAM的地址的速率将会随调制波形而改变。

对于幅度的变化，包括载波幅度设置以及调幅波形，FPGA将控制振幅DAC、衰减器、放大器，来实现对波形幅度的改变，其原理如下图所示。

图3 幅度控制原理图

3.5 LAN

网卡接口芯片采用性价比较高的全双工的DM9000,10M\100M自适应。可配置为8位DMA方式进行数据传输，与DSP接口方便。

3.6 USB Host

我们采用的ISP1362芯片(带USB 主、从)，符合USB1.1 规范；支持全速USB数据传输。其与DSP之间通过异步通信传递命令与数据，从而可以对U盘进行读取、存储。

4 软件设计

DSP中的软件是基于VisualDSP++ 4.0 Kernel (VDK) 操作系统设计的。VDK支持多线程的任务管理调度机制。

这样我们将项目主要划分成几个任务模块，将这些不同的任务模块分别放入不同的线程中。各个线程之间通过信号进行沟通、交互以及同步。

我们主要划分了以下任务模块：

A．操作平台（operation platform）或者状态机（SSM）

操作平台，也可称为是系统的状态机，是系统的核心部分。它通过中断？接受外来的信息，包括仪器的按键信息、远程指令等。通过分析当前的输入请求，结合目前所处的状态，来决定下一步仪器应该进入的状态，并改变各个任务线程运行时所需要的全局系统变量，并最终决定任务的调度以及线程的启动。该任务模块放于系统状态机线程中（SSM thread）。

B．  系统波形参数配置（FUNCTION）

该部分主要负责对用户输入的各种参数进行校验，校验通过后，进行波形参数的配置，并将这些参数送入到FPGA中。

同时，该部分还可完成系统的一些其他的非波形参数的配置。此模块放于功能执行线程中（FUNCTION thread）。

C．  用户图形界面显示（GUI）

根据状态机决定的显示模式，以及显示参数，组织要显示的内容，并最终将图形化的界面显示在液晶屏上。图形化的显示界面，可以让用户十分方便的在图形上修改各个波形参数，或者直接输入参数。该模块放于图形显示模块中（GUI thread）。

D． 远程命令解析

该任务模块对 SCPI 可编程仪器的标准命令进行解析，获取远程终端送来的指令，解析后，修改各种波形参数，或者替换成状态机能识别的指令，启动状态机，从而达到远程控制仪器的目的。此任务模块位于命令解析线程中（CmdParse thread）。

E．  远程登录访问

基于TCP/IP协议，接收从远程终端发来的数据按键指令，传给状态机，然后再把显示的图像数据送给远程终端。

当系统接收到键盘按键或者远程命令，将运行状态机（如果是远程命令还要先运行命令解析模块，然后运行状态机），状态机经过判断后，决定执行哪个任务模块，有可能状态机会同时启用图形显示模块（GUI thread）、系统波形参数配置模块（FUNCTION thread）以及远程登录访问模块 （LAN thread）。那么，这些模块线程的运行，将自动根据它们的优先等级，分先后执行。

软件流程如图4所示。

图4 程序流程图

5  结语

本文介绍了该函数\任意波发生器硬件实现的原理，并分析了在DSP处理器的VDK内核的基础上软件的任务、线程调度的设计与实现。测试表明，该系统不仅能够达到输出波形的指标，而且，具有功能强大的操作平台，能够支持复杂的用户图形界面，达到更加方便用户的目的。与同类产品相比，本系统性价比更高，使用更为方便，因此具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]VisualDSP++4.0 Kernal （VDK）User’s Guide , Analog Devices, Inc. 2005

[2]Blackfin系列DSP原理与系统设计 ,陈峰, 电子工业出版社, 2004