基于SoPC的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

摘要：在此提出一種基于SoPC的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)。采用FPGA作為核心器件，通過硬件邏輯模塊和NiosⅡ嵌入式處理器對高速A／D所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)和處理，最終將波形還原顯示在彩色液晶屏上。另外，還設(shè)計(jì)了用于PC機(jī)的軟件以還原存儲(chǔ)的波形信息，該軟件同樣也能夠進(jìn)行光標(biāo)測量等操作。
關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；SoPC；NiosⅡ；光標(biāo)測量

0 引言
    在電子技術(shù)領(lǐng)域中，示波器的應(yīng)用非常廣泛，使用它可以方便直觀地觀察到信號的全貌，并測量信號的幅度、頻率、周期等基本參數(shù)。傳統(tǒng)的模擬示波器顯示時(shí)采用熒光物質(zhì)的余輝時(shí)間都是一定的，導(dǎo)致其難以觀測到周期較長的信號。另外，模擬示波器還無法對信號進(jìn)行一些特殊的數(shù)學(xué)處理(如FFT)。而數(shù)字示波器正好可以克服模擬示波器的不足，它采用各種先進(jìn)的測量技術(shù)來滿足各種應(yīng)用。如基于采樣原理，采用高速A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，將模擬信號數(shù)字化，然后借助處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，將波形以圖形的方式直觀地顯示出來，并能夠得到被測信號各種豐富的參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體方案
    本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，得益于FPGA的靈活性，系統(tǒng)的大部分功能都在FPGA內(nèi)部完成，使得整體結(jié)構(gòu)非常簡潔。外圍電路主要包括A／D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示器、SD卡、FLASH和按鍵。

    A／D轉(zhuǎn)換模塊的功能是實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；FLASH模塊的功能是存儲(chǔ)SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)片上系統(tǒng)的固件程序；SD卡模塊的功能是實(shí)現(xiàn)測量信息的長期、大量存儲(chǔ)，提供與PC機(jī)的接口，便于后期在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析；LCD模塊的功能是對測量信號波形和相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示；按鍵模塊的功能是提供整機(jī)的調(diào)節(jié)和控制接口。

2 FPGA邏輯功能模塊設(shè)計(jì)
    FPGA內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖2所示。它主要由采樣率控制器、觸發(fā)控制單元、FIFO控制器、頻率測量單元、按鍵控制單元和LCD驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。

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3 SoPC設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中使用的是NiosⅡ／f處理器，使用硬件乘除法器，工作于50 MHz。使用FPGA內(nèi)嵌的RAM塊作為系統(tǒng)的運(yùn)行內(nèi)存。采用FLASH作為片外存儲(chǔ)器，保存用戶程序，其通過Avalon總線三態(tài)橋與NiosⅡ處理器相連。
3．1 SoPC軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)開機(jī)調(diào)用相關(guān)函數(shù)初始化LCD，SD卡和FAT文件系統(tǒng)之后，首先繪制圖形界面，輸出固定信息，接著讀取波形參數(shù)，將其顯示在LCD上，然后等待FIFO寫滿。若FIFO寫滿則將FIFO數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)中，同時(shí)在屏幕上繪制波形，獲得波形的最大和最小值。最后如果有用戶按鍵輸入則處理按鍵事件，否則檢測波形參數(shù)是否變化，若有變化則更新顯示，否則等待FIFO寫滿，進(jìn)行下一次顯示。流程如圖3所示。

3．1．1 SoPC底層軟件設(shè)計(jì)
    底層軟件為各設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，主要有：
    (1)LCD驅(qū)動(dòng)。根據(jù)顯示內(nèi)容的需求，LCD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)了以下函數(shù)：
    ①發(fā)送數(shù)據(jù)／命令：將數(shù)據(jù)／命令通過驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到LCD；
    ②LCD初始化：完成LCD的上電復(fù)位和初始化；
    ③LCD清屏：清空顯示；
    ④輸出一個(gè)像素：在指定位置輸出一個(gè)指定顏色的像素點(diǎn)；
    ⑤畫直線：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的直線；
    ⑥畫矩形：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的矩形，可選擇是否填充；
    ⑦輸出一個(gè)字符：在指定位置輸出一個(gè)指定顏色的字符；
    ⑧輸出一個(gè)字符串：在指定位置輸出一個(gè)指定顏色的字符串。
    (2)SD卡驅(qū)動(dòng)。SD卡通信采用SPI模式，SD卡驅(qū)動(dòng)的函數(shù)及功能為：
    ①發(fā)送數(shù)據(jù)／命令：將數(shù)據(jù)／命令發(fā)送到SD卡；
    ②讀取數(shù)據(jù)：從SD卡讀取一個(gè)字節(jié)；
    ③SD卡復(fù)位：SD卡上電后復(fù)位并使其進(jìn)入SPI模式；
    ④SD卡初始化：初始化SD卡使其作好數(shù)據(jù)讀寫準(zhǔn)備；
    ⑤讀一個(gè)扇區(qū)：從指定的扇區(qū)地址讀取一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)；
    ⑥寫一個(gè)扇區(qū)：將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫入指定的扇區(qū)地址處。
    (3)FAT16文件系統(tǒng)。FAT16文件系統(tǒng)的主要函數(shù)及功能為：
    ①FAT初始化：獲取每簇的扇區(qū)數(shù)、FAT表地址、根目錄地址和FAT表占用的扇區(qū)數(shù)等FAT信息；
    ②確定文件名稱：查找已存在的波形文件以確定要保存的文件的名稱；
    ③添加根目錄項(xiàng)：將保存的文件的名稱、大小、位置等添加到根目錄；
    ④添加FAT表項(xiàng)：查找FAT表的空簇，將新文件的簇號寫入FAT表。[!--empirenews.page--]
3．1．2 SoPC頂層軟件設(shè)計(jì)
    SoPC的頂層軟件主要完成波形及參數(shù)的顯示、運(yùn)行／停止控制、光標(biāo)測量、波形窗口移動(dòng)、保存數(shù)據(jù)到SD卡等功能。
    (1)波形參數(shù)顯示。繪制完圖形界面后首先輸出波形信息的固定部分，如Vpp：???mV，其中“???”將在讀取相關(guān)參數(shù)后更新。然后讀取相關(guān)參數(shù)并判斷是否變化，若有變化則更新相關(guān)顯示，在波形輸出結(jié)束后將峰峰值更新到屏幕上。
    (2)波形顯示。波形參數(shù)顯示完成之后，CPU進(jìn)入等待狀態(tài)，若FIFO寫滿信號為1，則開始讀FIFO數(shù)據(jù)并顯示波形。流程如圖4所示。

    (3)運(yùn)行／停止控制。波形顯示完后，若讀到stop為1，則等到FIFO寫滿后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。在停止?fàn)顟B(tài)FIFO中的數(shù)據(jù)保持不變。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測到用戶輸入，則執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)。若檢測到stop為0，則清屏，重繪圖形界面，輸出運(yùn)行圖標(biāo)，返回到顯示波形狀態(tài)。
    (4)光標(biāo)測量。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測到光標(biāo)測量為1，則進(jìn)入光標(biāo)測量狀態(tài)。首先將2個(gè)光標(biāo)的y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值輸出到LCD，然后計(jì)算2個(gè)光標(biāo)電壓的差值輸出到LCD上的相應(yīng)位置處。再根據(jù)分頻系數(shù)將2個(gè)光標(biāo)的x軸差值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的時(shí)間，輸出到LCD。最后繪制2個(gè)十字光標(biāo)，每個(gè)光標(biāo)由一橫一縱2條直線構(gòu)成，其交點(diǎn)位于波形上。
    光標(biāo)繪制完成后檢測用戶按鍵，如果有左右移動(dòng)或光標(biāo)切換按鍵操作，則對相應(yīng)光標(biāo)的x坐標(biāo)做加減運(yùn)算，然后從緩沖區(qū)重新讀取波形輸出到LCD，將之前的信息覆蓋，接著再次調(diào)用光標(biāo)繪制函數(shù)繪制新的光標(biāo)位置和光標(biāo)的信息。流程如圖5所示。

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    (5)將波形保存到SD卡。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測到保存按鍵輸入，則將數(shù)據(jù)保存到SD卡。首先在FAT表中查找空簇，返回簇號，并在FAT表中標(biāo)記該簇已被占用，同時(shí)更新FAT表。然后在根目錄中查找已存在的DAT文件，若有DAT文件則返回最大的文件名，否則返回0。然后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入SD卡的對應(yīng)扇區(qū)，扇區(qū)地址=根目錄地址+根目錄大小+(簇號-2)×每簇的扇區(qū)數(shù)。接著在根目錄中找到一個(gè)空閑項(xiàng)，將文件名稱、大小、所在簇寫入該項(xiàng)，即完成文件的保存。最后在LCD上輸出相應(yīng)的提示信息。流程如圖6所示。
    (6)波形顯示窗口的移動(dòng)。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測到左右移動(dòng)輸入，則進(jìn)行波形顯示窗口的移動(dòng)。當(dāng)左／右鍵按下時(shí)，若窗口沒超過FIFO邊界，則將窗口的首地址左／右移2個(gè)像素，然后更新顯示的窗口，同時(shí)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，名稱為OSC_xxxx．DAT，其中xxxx為文件的編號。由于每次采集的波形數(shù)據(jù)量大小相同，因此文件的大小也為固定值。FIFO深度為256 B，添加觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、時(shí)間刻度等信息后，文件的體積為260 B。由于磁盤的底層讀寫操作是按照扇區(qū)進(jìn)行的，一個(gè)扇區(qū)512 B，所以將文件的大小定義為512 B。前256 B為波形數(shù)據(jù)，第257 B為觸發(fā)沿信息，第258 B為觸發(fā)電平信，第259 B，260 B為分頻系數(shù)，通過軟件轉(zhuǎn)換后可得時(shí)間刻度的大小。

4 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    PC端軟件使用C語言設(shè)計(jì)。圖形部分使用SDL庫。PC機(jī)軟件用于打開示波器保存的波形文件，還原波形信息，并可以進(jìn)行光標(biāo)測量。程序首先初始化SDL視頻，然后打開文件讀取260個(gè)字節(jié)，關(guān)閉文件。載入背景圖案，初始化TTF字體。將波形繪制到背景圖案上并計(jì)算相關(guān)參數(shù)輸出到相應(yīng)位置，繪制兩個(gè)光標(biāo)，等待用戶移動(dòng)光標(biāo)。光標(biāo)移動(dòng)后重新載入背景和波形并更新相關(guān)信息。軟件流程如圖7所示。

5 結(jié)語
    本文介紹了一種基于SoPC的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)，實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)完成了數(shù)字示波器的基本功能，各部分工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)過程中采用了FPGA芯片、嵌入式NiosⅡ處理器以及Verilog HDL語言，簡化了電路的設(shè)計(jì)，提高了靈活性，縮短了設(shè)計(jì)周期。