利用FPGA来实现李沙育图形数据的运算与存储系统设计

1.引言

示波器测量频率和相位的方法很多， “李沙育图形法”就是其中用得最多的一种。“李沙育图形法”又称波形合成法，就是将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和x轴输入端，在示波器显示屏上将出现一个合成图形，这个图形就是李沙育图形。李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同，所呈现的波形也不同。

早期的模拟示波器显示李沙育图形的原理是将电信号转换为光信号，核心部分是阴极射线示波管（CRT）。将输入信号加到示波管内部的偏转系统，高速电子经聚焦、加速和偏转后，打到荧光屏上形成亮点，实现李沙育图形。李沙育图形在数字示波器上显示与在模拟示波器上显示完全不同，输入的两路信号，经采样后变为数字信号，利用CPU做一次算法，通过运算后的数字信号映射到液晶屏上后形成了对应的李沙育图形，此种显示方法也能达到模拟示波器的效果。

该设计应用于手持式数字示波表，主要部分由高速ADC、FPGA、ARM 7和TFT_LCD组成，由于成本原因，选用低速处理器ARM7，其主频低于50MHz，如果采用常规设计方法，达不到模拟示波器相同的显示效果。利用FPGA来实现李沙育图形是该设计的关键所在。

2．FPGA设计原理

由FPGA完成李沙育图形，核心在于利用FPGA的内部数字逻辑单元实现数据的运算与存储。该系统主要由高速数据采集模块、可编程逻辑器件FPGA、微处理器和液晶显示模块等四部分组成，其中显示模块由液晶屏和一块低成本的CPLD组成。当两路信号分别接至A、B通道的输入端，经衰减、放大后输入到数据采集模块进行采样。由ADC采样回来的信号直接送到FPGA，此时数据并不是马上存储到FPGA的内部RAM模块里面，而是先做一次算法处理，此算法的功能就是利应两路信号的数值大小，计算出在液晶屏上的对应的被点亮的像素点的位置，而屏幕上不同的位置又对应不同的地址，此地址作为FPGA内部RAM的地址，用来存储对应的像素点是否点亮的信息，因此实际上RAM内部存储的数据就是一幅李沙育图形。此数据为二进制数据，都由逻辑信号0、1组成，0对应该像素点不被点亮，1则表示点亮。ARM读取这些数据时，RAM屏蔽写使能，只有当ARM把所有的数据读完后，RAM才被重新写使能。可以看到，在ARM读取数据的期间，从A、B两通道输进来的信号仍然在往FPGA里面传送，为了保证数据不丢失，该设计采用了两块大小相同的RAM的乒乓工作模式，即ARM在读取RAM1的数据时，RAM2用来存储输入进来的数据，当读完RAM1的数据后，ARM转到读RAM2的数据，而由RAM1来存储输入进来的数据。

3．李沙育图形在FPGA内部的实现

3．1 FPGA内部算法

为了将纯粹的数字信号转化为对应的李沙育图形，必须从李沙育图形的形成原理来做分析。

李沙育图形上的每一个点都可以下面两个公式来表示：

x=A lsin（ω1t+ψ1） （1）

Y=A 2sin（ω2t+ψ2） （2）

由上式可知，李沙育图形实际上是一个质点同时在x轴和Y轴上振动形成的，其初始相差值△ψ=ψ2一ψ1，频率比为ω2／ω1。为了在屏幕上达到显示的效果，把实际李沙育图形显示区域（256*200）等分为四个象限，水平中心线为X轴，垂直中心线为Y轴。当A、B两通道同时输入进来信号以后，把A通道的数值按由小到大的顺序，从左向右排列，B通道的信号则同理从下向上排列，同时进来的一组信号共同决定了它们所对应的在屏幕上显示的位置，而位置对应了FPGA内部RAM的地址。其算法可由下面两个公式实现：

ADD=Y×1 6+X／1 6 （3）

DATA=X％16　　　　（4）

在这里ADD表示RAM的地址，DATA表示相应的RAM地址中存储的数据。式（3）中Y值的大小表示在垂直方向上的位置，因为前面提到过水平宽度为2 56个像素点，刚好对应了1 6个1 6b i t的二进制数据，即屏幕上的一行对应了1 6个地址单元。Y×1 6可以表示成，Y值每加一次，地址增加1 6。X／1 6是一个除法求整数的计算，此计算结果代表了这一行的l 6个地址中，哪个地址单元将被选中，而此地址单元将用来存储它所对应的屏幕上的1 6个像素点的状态信息。式（4）中X 1 6是一个求余数的运算，此运算结果刚好代表了在式（3）推算出来的地址对应的1 6个像素点中，哪个像素点将会被点亮。上面算法是在FPGA内部采用Verilog语言编程实现。

3．2 RAM工作状态和设计实现

当地址和数据都计算出来后就可以将数据写入RAM模块。在本设计中，F P G A内部的工作状态都是受ARM所控制的，因此实际上ARM就是一个调度中心，它控制着整个系统的工作进程。为了保证数据的不丢失，两块RAM的乒乓工作模式被分成了四个状态（A：RAM 1清零、RAM2写入；B：R AM 1写入、 RAM 2读出；C：RAM 1写入、RAM2清零；D：RAM 1读出、RAM2写入），根据ARM的工作情况，这两块RAM在这四种工作状态中循环转变。其状态流程如图1所示。从流程图可以看到，两块RAM呈现交替的工作状态，使数据不被丢失，保证了整体的流畅性。

在实际的设计中还有下面两个因素需要考虑。一是由于ARM的工作速度相对于FPGA来说慢了很多，因此在对RAM进行有效清零的时候，并不是由ARM来完成，而是当ARM读完数据后，由A R M发一条清零状态命令到FPGA，FPGA根据接收到的命令来执行完成的。实际上就是把ARM与FPGA之间的控制大大简化掉，对于ARM只需要在执行完自己的任务后，将相应的状态发给FPGA，而不去关心FPGA是如何完成相应任务的；FPGA收到ARM发过来的状态命令后，对命令进行解读，通过解读出来的信息，再执行相关的任务。

另一个问题就是，假设当A R M在读取R A M 1内的数据时，RAM2正在被写入数据，而ARM需要一定时间才能将所有的数据读完。由于数据还在源源不断的输入，就会出现下面的情况：在R A M 2的同一个地址中，之前可能已经写入了一个数据，而此时又要写入一个新的数据，如果采用直接写入的方式，就会把之前保留下来的数据覆盖掉。为了协调上述矛盾，该设计采取了分时控制的工作方式，即数据写入模块将地址发送到RAM时，屏蔽写使能，而将读使能打开，此时可将地址中之前存储下来的数据读出，将该数据送回到数据写入模块，与新数据做一次按位或操作运算，运算结束后再把写使能打开，将新计算结果写入RAM中。这样既保证了不丢失旧数据，同时也将新数据保存了下来，实现了李沙育图形的完整性。具体设计结构图如图2所示。

当一幅完整的李沙育图形在FPGA内部“产生”后，剩下显示的工作就由ARM来完成，主要工作包括：图形显示和余辉设置。ARM读取数据的时候，是从第一个地址一直读到最后一个地址，相当于从图形的左下方开始，直到右上方结束，显示的时候也是这个道理。ARM将地址和数据依次发给CPLD，CPLD根据对应的地址和数据来驱动液晶屏的显示。

3．3 余辉效应

余辉的设计与实现是通过ARM的软件处理来完成。图形显示区域被模拟成三层重叠的显示层，在这三层中，各层之间相互独立，只要有任何一层在显示，屏幕上就能看到图形，余辉就是根据层与层之间的切换时间来实现的，该切换时间是通过ARM的内部定时中断产生。如图3所示，每次中断时间T到来时，ARM会对下一层做清零处理，即同一层被清零的时间间隔则是3T，因此3 T就是余辉时间，即图象在屏幕上停留的时间。ARM通过修改定时时间T，即可实现不同的余辉时间。在实际设计中添加了1 s、2s、5s、无限余辉和关闭，这五种选项供使用。无限余辉可使显示出来的图像一直保留在屏幕上，只可被新图象覆盖，而不被清除，此种显示方式对于观察极低频信号十分有帮助。

4．结语

利用FPGA在手持式示波表上实现李沙育图形，基本保证了图象的连续性，显示精度高，同时也具备一定的实时性，加上可变的余辉，显示效果已经超过了模拟示波器。该方案的设计在不影响整个示波表性能的同时，为手持式数字示波表添加了另一种测试功能，对于常规的相位和频率测量具有极大的帮助。该方案已经实现于正式产品中，工作良好。

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