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(hào)的全貌,，并測(cè)量信號(hào)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(cè)到周期較長(zhǎng)的信號(hào),。另外,，模擬示波器還無法對(duì)信號(hào)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(cè)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(hào)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(hào)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(cè)信號(hào)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(jiǎn)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(hào)到數(shù)字信號(hào)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(cè)量信息的長(zhǎng)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(duì)測(cè)量信號(hào)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(cè)量單元,、按鍵控制單元和LCD驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。
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(cè)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(hào)寫入FAT表,。
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(cè)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(hào)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(cè)到用戶輸入,，則執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)。若檢測(cè)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(cè)量。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測(cè)到光標(biāo)測(cè)量為1,，則進(jìn)入光標(biāo)測(cè)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(cè)用戶按鍵，如果有左右移動(dòng)或光標(biāo)切換按鍵操作,，則對(duì)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。
(5)將波形保存到SD卡,。在停止?fàn)顟B(tài)若檢測(cè)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(hào),，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(duì)應(yīng)扇區(qū),，扇區(qū)地址=根目錄地址+根目錄大小+(簇號(hào)-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(cè)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(hào)。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(cè)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(cè)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(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，提高了靈活性,，縮短了設(shè)計(jì)周期,。