采用FPGA芯片和处理器实现数字示波器的设计

引言

在电子技术领域中，示波器的应用非常广泛，使用它可以方便直观地观察到信号的全貌，并测量信号的幅度、频率、周期等基本参数。传统的模拟示波器显示时采用荧光物质的余辉时间都是一定的，导致其难以观测到周期较长的信号。另外，模拟示波器还无法对信号进行一些特殊的数学处理（如FFT）。而数字示波器正好可以克服模拟示波器的不足，它采用各种先进的测量技术来满足各种应用。如基于采样原理，采用高速A/D转换器实现高速数据采集，将模拟信号数字化，然后借助处理器强大的数据处理能力实现各种数字信号处理算法，将波形以图形的方式直观地显示出来，并能够得到被测信号各种丰富的参数。

1 系统总体方案

本设计的系统框图如图1所示，得益于FPGA的灵活性，系统的大部分功能都在FPGA内部完成，使得整体结构非常简洁。外围电路主要包括A/D转换模块、LCD显示器、SD卡、FLASH和按键。

A/D转换模块的功能是实现模拟信号到数字信号的转换;FLASH模块的功能是存储SoPC（System-on-a-Programmable-Chip）片上系统的固件程序;SD卡模块的功能是实现测量信息的长期、大量存储，提供与PC机的接口，便于后期在计算机上进行分析;LCD模块的功能是对测量信号波形和相关参数的实时显示;按键模块的功能是提供整机的调节和控制接口。

2 FPGA逻辑功能模块设计

FPGA内部系统框图如图2所示。它主要由采样率控制器、触发控制单元、FIFO控制器、频率测量单元、按键控制单元和LCD驱动器构成。

3 SoPC设计

本设计中使用的是NiosⅡ/f处理器，使用硬件乘除法器，工作于50 MHz。使用FPGA内嵌的RAM块作为系统的运行内存。采用FLASH作为片外存储器，保存用户程序，其通过Avalon总线三态桥与NiosⅡ处理器相连。

3.1 SoPC软件设计

系统开机调用相关函数初始化LCD，SD卡和FAT文件系统之后，首先绘制图形界面，输出固定信息，接着读取波形参数，将其显示在LCD上，然后等待FIFO写满。若FIFO写满则将FIFO数据读入缓冲区中，同时在屏幕上绘制波形，获得波形的最大和最小值。最后如果有用户按键输入则处理按键事件，否则检测波形参数是否变化，若有变化则更新显示，否则等待FIFO写满，进行下一次显示。流程如图3所示。

3.1.1 SoPC底层软件设计

底层软件为各设备的驱动程序，主要有：

（1）LCD驱动。根据显示内容的需求，LCD驱动程序设计了以下函数：

①发送数据/命令：将数据/命令通过驱动器发送到LCD;

②LCD初始化：完成LCD的上电复位和初始化;

③LCD清屏：清空显示;

④输出一个像素：在指定位置输出一个指定颜色的像素点;

⑤画直线：画从（x0，y0）到（x1，y1）的指定颜色的直线;

⑥画矩形：画从（x0，y0）到（x1，y1）的指定颜色的矩形，可选择是否填充;

⑦输出一个字符：在指定位置输出一个指定颜色的字符;

⑧输出一个字符串：在指定位置输出一个指定颜色的字符串。

（2）SD卡驱动。SD卡通信采用SPI模式，SD卡驱动的函数及功能为：

①发送数据/命令：将数据/命令发送到SD卡;

②读取数据：从SD卡读取一个字节;

③SD卡复位：SD卡上电后复位并使其进入SPI模式;

④SD卡初始化：初始化SD卡使其作好数据读写准备;

⑤读一个扇区：从指定的扇区地址读取一个扇区的数据到缓冲区;

⑥写一个扇区：将缓冲区数据写入指定的扇区地址处。

（3）FAT16文件系统。FAT16文件系统的主要函数及功能为：

①FAT初始化：获取每簇的扇区数、FAT表地址、根目录地址和FAT表占用的扇区数等FAT信息;

②确定文件名称：查找已存在的波形文件以确定要保存的文件的名称;

③添加根目录项：将保存的文件的名称、大小、位置等添加到根目录;

④添加FAT表项：查找FAT表的空簇，将新文件的簇号写入FAT表。

3.1.2 SoPC顶层软件设计

SoPC的顶层软件主要完成波形及参数的显示、运行/停止控制、光标测量、波形窗口移动、保存数据到SD卡等功能。

（1）波形参数显示。绘制完图形界面后首先输出波形信息的固定部分，如Vpp：？？？mV，其中“？？？”将在读取相关参数后更新。然后读取相关参数并判断是否变化，若有变化则更新相关显示，在波形输出结束后将峰峰值更新到屏幕上。

（2）波形显示。波形参数显示完成之后，CPU进入等待状态，若FIFO写满信号为1，则开始读FIFO数据并显示波形。流程如图4所示。

（3）运行/停止控制。波形显示完后，若读到stop为1，则等到FIFO写满后进入停止状态。在停止状态FIFO中的数据保持不变。在停止状态若检测到用户输入，则执行相应函数。若检测到stop为0，则清屏，重绘图形界面，输出运行图标，返回到显示波形状态。

（4）光标测量。在停止状态若检测到光标测量为1，则进入光标测量状态。首先将2个光标的y轴坐标转换为实际电压值输出到LCD，然后计算2个光标电压的差值输出到LCD上的相应位置处。再根据分频系数将2个光标的x轴差值转换为实际的时间，输出到LCD。最后绘制2个十字光标，每个光标由一横一纵2条直线构成，其交点位于波形上。

光标绘制完成后检测用户按键，如果有左右移动或光标切换按键操作，则对相应光标的x坐标做加减运算，然后从缓冲区重新读取波形输出到LCD，将之前的信息覆盖，接着再次调用光标绘制函数绘制新的光标位置和光标的信息。流程如图5所示。

（5）将波形保存到SD卡。在停止状态若检测到保存按键输入，则将数据保存到SD卡。首先在FAT表中查找空簇，返回簇号，并在FAT表中标记该簇已被占用，同时更新FAT表。然后在根目录中查找已存在的DAT文件，若有DAT文件则返回最大的文件名，否则返回0。然后将缓冲区的数据写入SD卡的对应扇区，扇区地址=根目录地址+根目录大小+（簇号-2）×每簇的扇区数。接着在根目录中找到一个空闲项，将文件名称、大小、所在簇写入该项，即完成文件的保存。最后在LCD上输出相应的提示信息。流程如图6所示。

（6）波形显示窗口的移动。在停止状态若检测到左右移动输入，则进行波形显示窗口的移动。当左/右键按下时，若窗口没超过FIFO边界，则将窗口的首地址左/右移2个像素，然后更新显示的窗口，同时按比例更新窗口指示器的位置。

（7）波形文件格式。用于保存波形的文件使用8.3格式命名，名称为OSC_xxxx.DAT，其中xxxx为文件的编号。由于每次采集的波形数据量大小相同，因此文件的大小也为固定值。FIFO深度为256 B，添加触发电平、触发沿、时间刻度等信息后，文件的体积为260 B。由于磁盘的底层读写操作是按照扇区进行的，一个扇区512 B，所以将文件的大小定义为512 B。前256 B为波形数据，第257 B为触发沿信息，第258 B为触发电平信，第259 B，260 B为分频系数，通过软件转换后可得时间刻度的大小。

4 PC机软件设计

PC端软件使用C语言设计。图形部分使用SDL库。PC机软件用于打开示波器保存的波形文件，还原波形信息，并可以进行光标测量。程序首先初始化SDL视频，然后打开文件读取260个字节，关闭文件。载入背景图案，初始化TTF字体。将波形绘制到背景图案上并计算相关参数输出到相应位置，绘制两个光标，等待用户移动光标。光标移动后重新载入背景和波形并更新相关信息。软件流程如图7所示。

5 结语

本文介绍了一种基于SoPC的数字示波器设计，实际测试结果表明，系统完成了数字示波器的基本功能，各部分工作正常，各项指标达到设计要求。在设计过程中采用了FPGA芯片、嵌入式NiosⅡ处理器以及Verilog HDL语言，简化了电路的设计，提高了灵活性，缩短了设计周期。

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