基于ARM和FPGA的手持工程测试仪设计

张清勇，戴延浩

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070;2.武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)

高度集成和便携式的发展趋势使手持式测试仪器的需求越来越大，在航空、航天、国防、通信系统维护和通信设备生产等测试领域的应用非常广泛。国外的Fluke ScopeMeter 190系列手持数字示波器和PowerPen光缆测试仪有较好的测量精度[1]，但却价格昂贵，而国内对手持测试仪器研制非常少，无法满足国内市场的需求。因此，笔者基于国内外对手持测试仪的研究，充分利用嵌入式技术和视频处理技术，设计了一款多功能工程测试仪。

1 系统设计

可视化手持工程测试仪系统分为三大模块，分别为:视频处理模块，包括视频信号产生子模块及视频显示子模块;工程测试模块，包括波形测试子模块、光功率测试和数据通道测试子模块;云台控制模块等。系统功能具体划分如图1所示。

图1 系统的功能图

手持工程测试仪系统的内部硬件结构框图如图2所示。该系统主控芯片采用韩国三星公司的ARM920t内核处理器 S3C2440 芯片[2－3]，芯片主频达到400 MHz，提供一套完整的通用系统外设，人机交互接口包含有LCD控制器并支持触摸屏，可以方便地驱动各型号的TNT LCD和STN LCD，通信接口支持2通道USB、3通道UART、2通道SPI、IIC及以太网，外部存储接口支持 NAND FLASH、NOR FLASH和SDRAM。协处理器采用美国 ALTERA公司的 FPGA芯片，型号为EP2C5T144C，含有4 608个逻辑单元及142个用户I/O端口，可以方便地进行时序逻辑设计及与外部芯片的数据通信。FPGA主要功能是完成外部信号数据采集及产生模拟视频测试信号，并可以通过按键来设定和修改FPGA各逻辑单元模块的功能。

2 视频采集模块的设计

视频采集系统的实现框图如图3所示。安防工程现场中采用了CCD图像传感器作为视频输入设备，通过该图像传感器能将光学影像转换为PAL制式CVBS模拟复合视频信号[4]。由于ARM芯片无法直接接收模拟复合视频信号，因此在板上设置了一块视频解码芯片。该芯片采用了美国TEXAS INSTRUMENTS 公司生产的 TVP5150[5]，正常工作时功耗仅为115 mW，封装为32脚TQFP，非常适合便携式多媒体终端。该芯片可以将NTSC/PAL/SECAM等格式模拟视频转换为ITU－R BT.565标准的数字信号，以提供给ARM芯片处理，可通过ARM的IIC总线进行芯片配置，实现对外部模拟复合视频信号的A/D解码。解码后的数字视频流由ARM的摄像头模块进行处理并通过LCD控制器将视频流显示在LCD屏幕上。

图2 内部硬件结构框图

图3 视频采集系统框图

3 信号发生模块的设计

彩条信号是检验和调试显示屏的简单且直接的方法。传统的彩条信号发生器采用模拟电路实现，会带来电路板体积偏大且容易受到周围电路电磁干扰的问题[6－9]，使彩条信号发生畸变及产生噪点，而笔者在设计中采用数字电路产生彩条信号，可以简化电路设计及提高信号精度，从而避免上述问题。彩条信号发生器系统框图如图4所示。彩条信号数据和时序逻辑信号均由FPGA产生，并使用I/O口切换信号发生模式。彩条信号数据代表RGB三分量，与时序信号一起送入视频编码芯片TDA8501，TDA8501能将RGB/YUV数据转化为标准的PAL/NTSC制式视频信号，用于视频调试或测试。

图4 彩条信号发生系统框图

4 图形界面的设计

4.1 Qt人机交互界面

Qt是由挪威TrollTech公司开发的一个C++图形用户界面库，具有丰富的 API，包括250多个C++类。良好的封装机制使Qt的模块化程度非常高，可重用性较好。另外，Qt支持较多的操作 系 统，如 Windows，Linux，Solaris，UNIX，FreeBSD等，具有优良的跨平台特性。设计中笔者使用的Qt Embedded是Qt的嵌入式版本，许多基于Qt的程序可以移植到嵌入式系统中[10]。

4.2 Qt界面的编程

在该设计中，手持工程测试仪具有两个主要的功能，一是视频采集、显示及测试功能，二是工程数据检测功能。针对这两个功能，在Linux操作系统平台上设计了相应的UI。在UI界面上，设计了两个独立的应用程序，通过这两个应用程序可分别进入相应的功能界面。当点击“测试功能”应用程序图标后，将进入该测试功能主进程，可以通过该进程进入其他测试功能、功能参数设置，以及修改子进程。进入测试功能后的人机交互界面如图5所示。

图5 人机交互界面设计

5 结论

所设计的手持工程测试仪基于ARM和FPGA双核处理器，具有较好的性能，功能比较齐全，人机交互界面友好，解决了安防测试现场需要携带很多测试仪器的问题，具有较好的实用价值。

[1] 黄飞.OMAP平台的开发及其在便携式仪器中的应用[D].长沙:国防科技大学图书馆，2004.

[2] 黄强.面向S3C2240的视频监控设计与实现[J].中国水运，2010，10(2):54 －55.

[3] 魏银库.S3C2440的camera接口特性及Wince下的驱动[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(7):45－48.

[4] 王世峰，赵馨，佟首峰，等.CCD输出信号处理电路的研究[J].红外与激光工程，2007(36):311－313.

[5] 蒋陈铭，史小军.基于TVP5150的低功耗视频解码模块[J].电子工程师，2008，34(4):46－48.

[6] 史彩娟，黄晓红.基于CPLD的彩条信号的设计与实现[J].河北理工学院学报，2006(4):57－60.

[7] 冯南.液晶电视白平衡自动调整系统的研究[D].杭州:浙江大学图书馆，2004.

[8] 周润景.基于QuartusII的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社，2007:19－97.

[9] 高展宏.多媒体处理FPGA实现[M].北京:电子工业出版社，2010:43－103.

[10] 俞辉.嵌入式Linux程序设计案例与实验教程[M].北京:机械工业出版社，2009:12－154.