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，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，在大陸和臺灣，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，iPAD以及蘋果公司推出眾多i系列產(chǎn)品基本上都和這些趨勢相吻合，只不過，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" title="安捷倫科技">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)切換測試方案是自己在使用FPGA中悟出來，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)界使用的測試方案; 不是簡單集成來自第三方的軟件到自己的混合信號示波器" title="混合信號示波器">混合信號示波器平臺，而是將多年的心得和積累轉(zhuǎn)化成測試方案，并通過混合信號示波器平臺提供給業(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，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，前置放大器，存儲器等都購買現(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)成本相對較低，缺點(diǎn)是容易被人復(fù)制，甚至引發(fā)知識產(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。
我們來看看國外的設(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示波器，歷經(jīng)超過十年的時(shí)間沒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，一方面這和西方國家法制健全尊重知識產(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(深存儲快響應(yīng))芯片，如圖1-1中所標(biāo)識的系統(tǒng)單芯片(SoC)所示，一個(gè)芯片中集成了多個(gè)功能，包括存儲控制器、波形存儲器、顯示存儲器、波形繪制功能，同時(shí)支持示波器通道和邏輯分析儀" title="邏輯分析儀">邏輯分析儀通道，MegaZoom專用芯片" title="專用芯片">專用芯片帶來的核心好處是波形捕獲率在同類產(chǎn)品中最高，尤其是在存儲深度" title="存儲深度">存儲深度很深，同時(shí)打開邏輯通道" title="邏輯通道">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)處理來自示波器通道和邏輯通道的數(shù)據(jù)，保證邏輯通道打開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)也為將來支持新的總線類型或增強(qiáng)現(xiàn)有功能留下可能性;
四、對波形參數(shù)量測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)，對需要更精確測量的場合，需要將示波器設(shè)置成“精確分析”模式，以便分析的存儲深度到10K甚至128K個(gè)點(diǎn)，如需要對所有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Ρ容^低，國產(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，擁有自己的芯片無疑會(huì)提高研發(fā)成本，沒有雄厚資金支持很難投入芯片的研發(fā)(國內(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，對于量比較大的產(chǎn)品，專用芯片無疑比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、在存儲深度或記錄長度較為淺的時(shí)候，信號經(jīng)DPX技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)較高的波形捕獲率;二、在存儲深度或記錄長度較為深的時(shí)候，信號繞過DPX，可實(shí)現(xiàn)對更多數(shù)據(jù)量的測量分析;三、串行信號的觸發(fā)和解碼用軟件實(shí)現(xiàn)，無需在設(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，對單次深存儲采集，可簡化數(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)測量結(jié)果的搜索。
兩家公司的同類混合信號示波器產(chǎn)品可以說是“和而不同”。考慮到將來，兩家公司的產(chǎn)品各有變動(dòng)的可能性，但都屬于小范圍內(nèi)的改動(dòng)，因?yàn)楹诵募夹g(shù)已經(jīng)固定，對于安捷倫的MSO6000/7000系列產(chǎn)品，為進(jìn)一步鞏固其“波形捕獲率高，硬件實(shí)現(xiàn)信號分析”的地位，相信可以將一部分成熟的串行總線觸發(fā)和解碼做到MegaZoom 專用芯片中，以解放更多的FPGA芯片資源來做一些其它事情，測量參數(shù)的搜索功能，也有機(jī)會(huì)加進(jìn)去。注：這里沒有比較那種配合示波器，外加一個(gè)邏輯分析儀小盒子的所謂“混合信號示波器方案”，是因?yàn)槠溥壿嫹治鰞x部分是從第三方公司拿過來，除可同屏顯示示波器和邏輯分析儀信號外，基本上不具備混合信號示波器的其它特點(diǎn)，如：一、自動(dòng)設(shè)置(Autoscale / Autoset)可同時(shí)對示波器通道和邏輯分析儀通道起作用;二、支持混合信號觸發(fā)，即可以設(shè)置示波器通道1是上升沿，同時(shí)邏輯通道狀態(tài)是10000111的是夠觸發(fā);三、混合信號測試下的較高波形捕獲率，如MSO7000實(shí)現(xiàn)高達(dá)100,000波形每秒;四、示波器和邏輯通道之間的延遲通常在幾十個(gè)皮秒級，而不是幾百個(gè)納秒。