混合示波器自身研發(fā)篇

　　隨著單片機(jī)、可編程器件的普及，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎隨處可見(jiàn)，從應(yīng)用的角度看，大致可以分為五大領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)通信、生物電子、綠色科技、汽車電子和3C電子，在大陸和***，這些領(lǐng)域甚至被認(rèn)為是新的“藍(lán)海策略”，隱藏著各種商機(jī)，尤其是綠色科技是政府和風(fēng)險(xiǎn)投資公司十分關(guān)注的對(duì)象;從技術(shù)的角度看，多功能、低功耗、微型化、網(wǎng)絡(luò)化領(lǐng)導(dǎo)著新的趨勢(shì)，iPAD以及蘋(píng)果公司推出眾多i系列產(chǎn)品基本上都和這些趨勢(shì)相吻合，只不過(guò)，其在用戶體驗(yàn)方面比業(yè)界其它同行下了更大功夫，讓其脫穎而出，并制造一個(gè)又一個(gè)神話。

　　安捷倫科技既是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)者，也是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用者，這兩個(gè)方面相互促進(jìn)、共同發(fā)展，以可編程器件FPGA為例，安捷倫科技提供的Xilinx FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換測(cè)試方案是自己在使用FPGA中悟出來(lái)，先是供內(nèi)部使用，后提供給Xilinx使用，雙方共享一些IP，最終推出供業(yè)界使用的測(cè)試方案; 不是簡(jiǎn)單集成來(lái)自第三方的軟件到自己的混合信號(hào)示波器平臺(tái)，而是將多年的心得和積累轉(zhuǎn)化成測(cè)試方案，并通過(guò)混合信號(hào)示波器平臺(tái)提供給業(yè)界。

　　在設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式產(chǎn)品的時(shí)候，研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨諸多選擇，示波器的研發(fā)亦是如此，通常在初期，可能會(huì)用商業(yè)分立器件搭出來(lái)，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，前置放大器，存儲(chǔ)器等都購(gòu)買現(xiàn)成的，如果要讓性能再好一點(diǎn)，可以使用可編程器件FPGA，這樣做的好處是研發(fā)成本相對(duì)較低，缺點(diǎn)是容易被人復(fù)制，甚至引發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的官司，設(shè)計(jì)的架構(gòu)本身就決定了被別人復(fù)制的難易程度。

我們來(lái)看看國(guó)外的設(shè)計(jì)，以帶寬在60MHz至1GHz范圍之內(nèi)的便攜式混合信號(hào)示波器設(shè)計(jì)為例，安捷倫科技(當(dāng)年叫惠普)在1994至1996年間推出第一代混合信號(hào)示波器，歷經(jīng)超過(guò)十年的時(shí)間沒(méi)有第二家推出類似的產(chǎn)品，十多年后，另一示波器廠家推出自己的混合信號(hào)示波器，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩家的設(shè)計(jì)架構(gòu)和核心技術(shù)完全不同，一方面這和西方國(guó)家法制健全尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)有關(guān)系，另一方面，也是設(shè)計(jì)架構(gòu)本身決定了難以復(fù)制。以安捷倫科技的6000系列示波器為例，其核心技術(shù)是MegaZoom(深存儲(chǔ)快響應(yīng))芯片，如圖1-1中所標(biāo)識(shí)的系統(tǒng)單芯片(SoC)所示，一個(gè)芯片中集成了多個(gè)功能，包括存儲(chǔ)控制器、波形存儲(chǔ)器、顯示存儲(chǔ)器、波形繪制功能，同時(shí)支持示波器通道和邏輯分析儀通道，MegaZoom專用芯片帶來(lái)的核心好處是波形捕獲率在同類產(chǎn)品中最高，尤其是在存儲(chǔ)深度很深，同時(shí)打開(kāi)邏輯通道和串行解碼功能的時(shí)候，這也是安捷倫InfiniiVision系列示波器(5000,6000,7000)的技術(shù)立足點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)的方法關(guān)鍵是三點(diǎn)：

　　一、將大量數(shù)據(jù)處理在該MegaZoom芯片里面完成，減輕CPU中央處理器的負(fù)擔(dān)，這樣保證總是自動(dòng)使用最深的存儲(chǔ)深度，而且波形捕獲率高達(dá)100,000波形每秒;

　　二、一個(gè)芯片可同時(shí)處理來(lái)自示波器通道和邏輯通道的數(shù)據(jù)，保證邏輯通道打開(kāi)與否不影響波形捕獲率;

　　三、串行總線觸發(fā)和解碼在另一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，保證實(shí)時(shí)性，不讓解碼成為波形捕獲率率的瓶頸，同時(shí)也為將來(lái)支持新的總線類型或增強(qiáng)現(xiàn)有功能留下可能性;

　　四、對(duì)波形參數(shù)量測(cè)通常是基于顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，一般是1000個(gè)點(diǎn)，對(duì)需要更精確測(cè)量的場(chǎng)合，需要將示波器設(shè)置成“精確分析”模式，以便分析的存儲(chǔ)深度到10K甚至128K個(gè)點(diǎn)，如需要對(duì)所有8M點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)參量，需使用PC軟件。

        MegaZoom專用芯片的原型實(shí)際上也是用FPGA實(shí)現(xiàn)的，最終采用ASIC實(shí)現(xiàn)是因?yàn)槌杀鞠鄬?duì)比較低，國(guó)產(chǎn)示波器如果也用ASIC實(shí)現(xiàn)核心功能，不僅可以降低成本，而且有助于保護(hù)自己的產(chǎn)品不被別人復(fù)制，只不過(guò)關(guān)于成本有兩個(gè)概念，一是研發(fā)成本，擁有自己的芯片無(wú)疑會(huì)提高研發(fā)成本，沒(méi)有雄厚資金支持很難投入芯片的研發(fā)(國(guó)內(nèi)只有包括華為在內(nèi)有限的幾家公司在自身產(chǎn)品中使用自己的核心芯片);另一是生產(chǎn)成本，對(duì)于量比較大的產(chǎn)品，專用芯片無(wú)疑比FPGA要節(jié)約成本(現(xiàn)在手機(jī)因量大，設(shè)計(jì)里面基本上是專用芯片，而基站因量少，則多使用FPGA)。

圖2是和MSO6000或7000類似的混合信號(hào)示波器的內(nèi)部照片，可以看出， MSO6000 在一片MegaZoom芯片中實(shí)現(xiàn)的功能在該產(chǎn)品中是用多個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但該產(chǎn)品也有其核心技術(shù)及其立足點(diǎn)：一、在存儲(chǔ)深度或記錄長(zhǎng)度較為淺的時(shí)候，信號(hào)經(jīng)DPX技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)較高的波形捕獲率;二、在存儲(chǔ)深度或記錄長(zhǎng)度較為深的時(shí)候，信號(hào)繞過(guò)DPX，可實(shí)現(xiàn)對(duì)更多數(shù)據(jù)量的測(cè)量分析;三、串行信號(hào)的觸發(fā)和解碼用軟件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在設(shè)計(jì)硬件的時(shí)候預(yù)留任何設(shè)計(jì)空間;四、增加一搜索功能，對(duì)單次深存儲(chǔ)采集，可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析，安捷倫的MSO6000/7000也具備搜索功能，但目前只支持串行總線解碼分析，而不支持參數(shù)測(cè)量結(jié)果的搜索。