基于FPGA的示波器圖文顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，可以取代現(xiàn)行所有的全部微機(jī)接口芯片，實(shí)現(xiàn)微機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)、地址譯碼等多種功能。利用 FPGA可以把多個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的功能電路集成在一塊芯片上。應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)功能電路時(shí)，可以讓人們的思路從傳統(tǒng)的以單片機(jī)或DSP芯片為核心的系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)向單一專用芯片型設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的示波器雖然功能齊全，但是體積大、重量重、成本高、等一系列問題使應(yīng)用受到了限制。有鑒于此，便攜式數(shù)字存儲(chǔ)采集器就應(yīng)運(yùn)而生，它采用了LCD顯示、高速A／D采集與轉(zhuǎn)換、ASIC芯片等新技術(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的市場(chǎng)潛力，也代表了當(dāng)代電子測(cè)量?jī)x器的一種發(fā)展趨勢(shì)，即向功能多、體積小、重量輕、使用方便的掌上型儀器發(fā)展。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)讀寫

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求：在示波器上顯示2個(gè)以上字符或圖案，如顯示0-9十個(gè)數(shù)字及英文字符、圖象等，結(jié)合示波器顯示原理，設(shè)計(jì)電路如圖1所示。將要顯示的數(shù)字或符號(hào)進(jìn)行取模，得到其二進(jìn)制形式表示。將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)部RAM存儲(chǔ)。

　　在設(shè)計(jì)上我們使用了XILINX的SPARTAN-3芯片，作為控制器，完成總的數(shù)控部分、鍵盤和和顯示接口部分的控制。采用八位(或者更高位)D／A轉(zhuǎn)換，對(duì)FPGA芯片輸出二進(jìn)制數(shù)字量進(jìn)行數(shù)一模轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過高速運(yùn)算放大器后得到其電壓量。分X，Y兩路輸出給示波器，根據(jù)示波器原理，在屏幕上打點(diǎn)顯示數(shù)字(或者圖形)。而Z通道作為另一路獨(dú)立通道，對(duì)顯示的數(shù)字亮度進(jìn)行可控顯示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 總體控制模塊

　　基于本設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制模塊的部分是具有掩膜可編程門陣列的邏輯器件——FPGA。

　　Spartan系列FPGA是Xilinx公司可編程邏輯產(chǎn)品中的高性價(jià)比產(chǎn)品的代表，而Spartan-Ⅲ系列FPGA是為那些需要大容量、低價(jià)格電子應(yīng)用的用戶而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)使用的是XILINX公司的XC3S200型號(hào)芯片，其技術(shù)參數(shù)如下：

　　●4 320個(gè)邏輯單元；

　　●系統(tǒng)門密度200 k個(gè)；

　　●CLB陣列24*20，共480個(gè)；

　　●最大用戶I／O173，最大差分I／O76；

　　●分布式RAM容量30 Kbit，Block RAM容量216Kbit；

　　●嵌入式18x18乘法器支持高性能DSP應(yīng)用；

　　●PCI和帶有LVDS的高速差分信號(hào)。

　　2．2 存儲(chǔ)單元模塊

　　由于FPGA基于CMOS SRAM工藝，不具備掉電保護(hù)功能，當(dāng)無(wú)電源供電時(shí)，配置的數(shù)據(jù)丟失，芯片的功能也隨之丟失。因此，本設(shè)計(jì)采用FLASH存儲(chǔ)器在線重配置的方法。

　　2．3 外圍電路模塊

　　2．3．1 D／A轉(zhuǎn)換

　　在D／A選擇上，我們用的是美國(guó)半導(dǎo)體公司的 DAC0832，它具有8位并行、中速(建立時(shí)間1 us)、電流型、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。它有單緩沖工作方式、雙緩沖工作方式兩種工作方式。單緩沖工作方式時(shí)，一個(gè)寄存器工作于直通狀態(tài)，一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)。在不要求多相D／A同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，此時(shí)只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高D／A的數(shù)據(jù)吞吐量。雙緩沖工作方式時(shí)，兩個(gè)寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。當(dāng)要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用雙重緩沖方式。

　　它的技術(shù)參數(shù)為：建立時(shí)間1 us；8位并行；低功率損耗20 mW；支持電壓：5 V～15 V。

　　2．3．2 運(yùn)算放大

　　在D／A轉(zhuǎn)換之后，我們得到的是電流信號(hào)，而需要輸入示波器的為電壓信號(hào)，因此運(yùn)用運(yùn)算放大器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)將運(yùn)放設(shè)計(jì)為可調(diào)形式，通過調(diào)節(jié)它便可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，達(dá)到控制顯示幅值的目的。本設(shè)計(jì)采用LM741系列運(yùn)放，其技術(shù)指標(biāo)加下：

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　基于VHDL語(yǔ)言的功能與靈活性，非依賴性和可移植性種種優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)在FPGA編程上采用了VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)思路：采用50 MHz外部時(shí)鐘控制對(duì)FPGA內(nèi)部進(jìn)行分頻控制，在分頻模塊的作用下得到設(shè)計(jì)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。通過按鍵選通在ROM內(nèi)部選擇要顯示的模塊部分，進(jìn)行X、 Y方向掃描，得到初步的數(shù)據(jù)，同時(shí)外加Z方向掃描來控制所顯圖形的亮度。通過將所有的“1”存儲(chǔ)在一個(gè)ROM中作為緩存，達(dá)到消除零點(diǎn)的目的。將ROM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RAM中，通過乒乓交換操作來進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，最后通過外圍電路輸入示波器，實(shí)現(xiàn)顯示?？傮w流程圖：

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文是基于FPGA的數(shù)字示波器圖文顯示系統(tǒng)的硬件／軟件的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，測(cè)試表明系統(tǒng)可以將相應(yīng)的圖形文字顯示出來，顯示的圖形和文字與預(yù)期的基本一致。該設(shè)計(jì)滿足了系統(tǒng)的需要，更重要的是具有很強(qiáng)的靈活性和可控性，同時(shí)使顯示更加高速度快捷，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。