（通信与信息系统专业论文）手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现.pdf

摘要 摩尔定律揭示了集成电路工艺突飞猛进的发展势头，在此基础上，集成电路 向着体积更小，功能更强，功耗更低的方向发展。高性能，低功耗，便携化成为 仪器发展的一个新热点。手持式数字示波表集成数字存储示波器，数字频率计， 频谱分析仪为一体，充分体现了目前仪器设备的发展特点。 本文讨论的数字示波表系统采用了c p u 软核嵌入技术，在f p g a 芯片中嵌 入c p u 软核，并在f p g a 剩余的资源中实现示波表系统的外围数字控制电路， 包括高速f i f o ，触发控制电路，l c d 显示控制电路，频率周期测量模块等，构 成了示波表的数字核心模块。为了达到良好的交互效果，本系统采用了3 2 0 2 4 0 点阵l c d ，配合图形用户界面，实现同用户的实时交互。本设计使用a l t e r a 公 司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片，它包含丰富的资源，并提供n i o s 软核c p u ，使 开发过程得以简化。 本文重点阐述示波表系统软件结构设计及底层驱动的实现，包括示波表系统 的框架设计、底层硬件驱动程序设计、模块配合控制程序设计以及部分算法的设 计实现。此外，对于在设计过程中所遇到的困难以及所采取的各种调试方法在本 文中也给出说明。为了提高软硬件协同开发的并行度，本文还阐述了高级语言级 仿真系统的设计及实现，使开发过程中软件的开发对硬件的依赖程度得到降低。 最后，本文对系统调试和测试进行了详细的描述。通过各方面的测试，得出本系 统基本达到了设计要求。 关键词：数字存储示波器，n i o s ，s o p c ，数字信号处理，f p g a 1 1 1 a b s t r a c t a st h em o s tf r e q u e n t l yu s e di n s t r u m e n ti nt h ee l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ， o s c i l l o s c o p ee x t e m s t h eh u m a nv i s i o nb yi t s p o w e r a st i m eg o e sb y ，i t h a v eb e e nd e v e l o p e di n t os e v e r a l f a m i l y s o n e f o r ki st h ep o r t a b l e i n s t r u m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nw i l l i l l u s t r a t et h e d e v e l o p m e n t o ft h e p o r t a b l eo s c i l l o s c o p e b a s eo nt h es o p ct e c h n o l o g y ，t h ed e s i g nh a sav e r yc o m p a c t a r c h i t e c t u r e o n ec h i pg i v e st h es o l u t i o no ft h eh a n d h e l do s c i l l o s c o p e d i g i t a lp a r t t h e n i o s p r o c e s s o r i se m b e d d e di n t ot h ec y c l o n ef p g aa l s o w i t hs e v e r a lc u s t o m p r e p h i e a l c o n t r o l l o g i ci n t e g r a t e d t h e s o l u t i o n p r o v i d ew i t hf a s t d a t ac a t c h ，t r i g g e rc o n t r o l ，d i s p l a y d i r v e r ，p a r a m e t e r t r a n s f e r ，e t c s o f t w a r er u n n i n gi nt h ec h i pc o n t r o l st h ew h o l es y s t e mf l s t h e i rb r a i n t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u so nt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g n a n dl o wl e v e ll a y e ri m p l e m e n t a t i o n f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，a n ds h o w st h eg o a lo ft h i s d e s i g n f r o mr e q u i r e m e n ta n a l y s i st om o d u l e si m p l e m e n t a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o n g i v e st h ew h o l e v i s i o no ft h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s e c o n d l y ，i td e s c r i b e s t h el o wl e v e ll a y e ri m p l e m e n t a t i o n t h el o wl e v e ll a y e ro ft h es y s t e mi s c o m p o s e d o fh a r d w a r ed r i v e r sa n dh a r d w a r el o g i cb l o c k i m p l e m e n t a t i o n a tl a s t ，i td e s c r i b e st h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gi nd e t a i l d e b u g g i n ga n d t e s t i n gi s t h ei m p o r t a n ti s s u eo ft h ed i s s e r t a t i o n b yp r o v i d i n gw i t ht h e t e s tr e s u l t ，t h ed i s s e r t a t i o ns h o w st h a tt h e d e s i g ni s s u c c e s s f u la n dt h e r e q u i r e m e n t i sm e t k e yw o r d s ：d s o ( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) ，f i f o ( f i r s t i nf i r s t o u t ) ，s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m a b l ec h i p ) ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) ，l c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：熟垒巡日期：炒5 年，月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丞簦2 瞧导师签名：笪龇 日期：幽哆年r 月，日 1 1 电子科技太学硕士论文：手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现 1 1 示波器的现状及分类 第一章引言 电子示波器简称“示波器”，它可以将人们无法直接看到的电信号的变化过 程转换成肉眼可直接观察的波形，显示在示波器的显示屏上，供人们观察分析。 利用示波器除了能对电信号进行定性的观察外，还可以用它来进行一些定量的测 量，例如可以用它进行电压、电流、频率、周期、相位差、调幅度、脉冲宽度、 上升及下降时间等的测量；若配上传感器，还可以对温度、压力、声、光、热、 振动、密度及磁效应等非电量进行测量。因此，示波器又是一种用途极广的电子 测量仪器，被广泛地应用于机械工业、农业、医学、物理、通信、国防科学及宇 航等各种科学技术领域【1 】。 随着数字电子技术的应用和发展，日前已有将示波器简单的划分为模拟示波 器和数字示波器两大类的趋势。随着半导体制造工艺以及各种大规模和专用的集 成电路的影响，示波器在内部电路结构上由晶体管发展到数字电路，功能上已从 时域分析发展到数据域分析和频域分析。根据其用途及特点，示波器已经发展出 了很多的种类和型号，大致分为下面几类： 1 通用示波器 它是利用单束示波管的示波器，运用了基本的显示原理，可对电信号进行定 性、定量的测量。 2 多束示波器 它是采用多柬示波管的示波器。屏幕上的每个波形均由独立的电子束产生， 能同时观察和比较多个波形。 3 取样示波器 通常采用取样技术把高频信号转换为低频信号，再运用通用示坡器的基本原 理观测信号。一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。 4 记忆、存储示波器 是具有存储信息功能的示波器。虽然两种示波器存储元件不同，但它们都能 对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率的信号进行观测。 5 特种示波器 皇王型垫查兰堡主丝苎：王堑茎垫主堡堕重垫墨：墨竺垡盐墨堕星坚塾壅墨 指满足特殊用途或有特殊装置的示波器，如电视示波器、矢量示波器等。 1 2 数字存储示波器 1 2 1 数字存储示波器的特点 传统模拟示波器对于非周期的单次信号是很难胜任的；但是，在现代测量中， 如核爆炸、数据通信、能源、机械制造等工程技术和科学研究领域，都得检测大 量单次瞬态信号。数字存储示波器与传统的模拟示波器相比，具有自动测试、实 时捕获、多种触发功能、波形存储与运算，特别是处理单次瞬态信号的能力等突 出的优点。随着微处理器、大规模集成电路、高速a d 转换器等技术的发展， 数字存储示波器迅速发展并有逐步取代模拟示波器的趋势。 与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下优点 2 】： 1 体积小，易于操作 数字存储示波器由于应用了大规模集成电路和微处理器，再加上采用液晶作 为显示输出，大大简化了体积，并且功能强大、性能稳定。对用户来说界面简洁， 易于操作。 2 测量精度高，自动显示测量结果，消除视差影响 模拟示波器的扫描速度由锯齿波扫描信号决定，而数字存储示波器的扫描速 度由取样时钟间隔和l c d 上单位长度所具有的采样点数来决定。由于其采用晶 振作为时钟，因此具有很高的测试精度。若采用更高分辨率的a i d 转换器则能 使测量精度更加提高。 3 触发方式多样 数字存储示波器有多种触发，按触发方式分有自动触发、正常触发、单次触 发；按触发边沿分有上升触发和下降沿触发。这些都方便用户分析故障产生原因。 同时，传统示波器只能观测触发点以后的波形，而在工程技术、科学研究重往往 需要观测触发点以前的波形以分析问题，数字存储示波器正具有这样的优点，它 的预触发( 负延迟) 功能可以方便显示触发点以前不同时刻的波形。 4 显示方式灵活 皇王型垫查堂堡主堕苎! 王堑塞垫主查笪! ：垫耋：至堑塑盐墨塞星登垫塞堡 滚屏、包络、无限余晖、高速刷新等多种显示方式，便于各类不同性质和用 途信号的观察。由于被测信号的多样性和复杂性，就要求示波器具有相应的显示 方式。数字示波器引入了数字处理技术，并与计算机一起构成智能化联机系统， 使其对于复杂单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效。其存储显示方式可 稳定地显示其存储下来的瞬态信号，并可任意扩展和移动。当在测量低频信号时 数字存储示波器自动进入滚动模式显示，波形从左到右滚动前进，用户可咀通过 屏幕波形运动轨迹清楚地观测到波形变化情况，而传统的模拟示波器因为c r t 的余辉时间很短，难以显示频率很低的信号 3 】。 5 数学处理功能 先进的f f t 、统计分析等数学处理功能，甚至无需借助计算机，实时同步计 算显示。 6 数据存储功能 既然叫做数字存储示波器，其存储功能是它优于模拟示波器的一个重要方 面。数字存储示波器将模拟信号经过a d 转换成数字信号后，存到半导体存储 器中，用户在需要时可随时调出显示，同时便于观测单次过程和缓慢变化的信号， 方便对问题的分析解决。 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存 储示波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快的仪器。各大公司和 厂家相继投入巨资研究、开发该类仪器，以图率先占领此技术领域。 1 2 _ 2 数字存储示波器主要技术指标 双通道。 道模拟带宽2 0 m h z 。 实时采样率：l o o ms a s 。 存储深度：4 k 字节( k 表示存储单位为1 0 2 4 ，表示频率为1 0 0 0 ，下同) 。 扫描偏转因素：2 0 n s d i v 1 0 s d i v 。 垂直偏转因素：5 m v d i v 2 0 v d i v 。 位置范围：1 0 格。( 定义为触发点相对当前屏幕起始位置的偏移范围) 。 输入阻抗： 1 0 m 欧姆。 输入耦合：a c ，d c 。 滚动模式时基：_ 1 0 0 m s d i v 。 显示分辨率3 2 0 x 2 4 0 象素，单色。 l z土t孓&殳m 鱼王型垫盔堂堡圭笙苎：至茎垄塑主童堡至垫耋：墨竺堡茎墨堕星坚塾壅堡 1 2 垂直分辨率：8 位，指波形的显示精度能够达到8 位。 1 3 频率、周期、占空比、平均值、有效值、峰峰值测量功能a 1 4 进行自动测量 1 - 2 3 数字存储示波表 目前各大公司不断推出更高技术含量的产品，例如t e k 公司推出的数字荧 光示波器d p o ( d i g i t a lp h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ) ，能够实时显示、存储和分析复 杂信号，利用三维信息( 振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分 量出现的频率) 充分展现信号的特征。而a g i l e n t 公司生产的i n f i n i i u m5 4 8 0 0 系 列示波器最高带宽达6 g h z ，最高采样率2 0 g s a s ，4 通道，每通道存储深度可达 3 2 m b 。 尽管在国际上数字存储示波器的技术产品已经逐渐成熟，但我国目前在数字 存储示波器的生产领域内还处于起步阶段。北京普源精电科技有限公司目前自主 开发的d s 3 0 0 0 系列数字存贮示波器最高带宽1 0 0 m h z ，采样率2 5 g s a s ，单次 采样率最高为4 0 0 m s a s ，这是目前所知国内研发最高水准的示波器，但因技术 和资金原因至今还未投入市场。因此打破国外企业的市场垄断，发展我国电子测 量领域技术已成当务之急，否则我们同国外的差距只能越来越大 2 6 】。 1 3 课题来源 本课题为横向课题，目的是通过对国外主要公司产品工作原理的研究，应用 自己现有的技术开发出具有自主知识产权的便携式数字存储示波表，从而发展我 国电子测量领域的技术，逐步缩小与国外产品的差距 1 4 论文导读 本文首先从整体上描述数字示波表的系统设计，然后分别从硬件和软件的角 度描述系统设计，然后描述调试过程和测试方案，最后通过测试得出结论。从章 节上组织，第一章为示波表发展状况，第二章描述系统的整体结构设计，第三章 描述系统的硬件设计，第四章集中讨论软件设计及实现，第五章给出调试步骤及 测试结果。本文的重点集中在第三、四、五章。 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表一系统设计及底层驱动实现 第二章数字示波表系统设计 数字存储示波表中包含三个方面功能，数字存储示波器、数字万用表及数字 频率计。本章将简要介绍数字存储示波器的功能原理。 2 1 数字存储示波器 传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的x 、y 通道以控制电 子束的偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。显然，这种 模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵，且不太适合用于对非周期的、单 次信号的测量。 数字存储示波器通过使用a 仍转换技术，将模拟信号转换成数字信号序列， 并通过对数字信号的处理，实现波形的显示及测量功能。当信号进入系统时， a d 转换器将模拟信号按照一定的时间间隔采样，将采样得到的数据保存于存储 器中，接着对采样的到的数据进行处理，如比较、插值等，得到波形的参数，最 后根据需要将波形重建于示波器的屏幕上，并对信号进行实时瞬态分析。在这个 过程中，涉及到采样原理、插值定理及部分算法，下面简要说明。 2 1 1 采样原理 图2 1 采样原理示意图 采样是指按照规定的时间间隔，度量模拟信号的幅度，并用数字来表示这一 幅度。为了在数字系统中对模拟信号进行处理，必须将模拟信号通过采样表示成 数字信号。这些采样得到的数字信号记录在存储器中，由系统处理并在屏幕上显 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表- 系统设计及底层驱动实现 示。对信号进行采样的时间间隔的倒数称为采样频率：正。必。根据香农采样 定理，为保证采样后的信号不失真，采样的频率必须至少为被采样信号所包含的 最高频率分量的二倍，即z 2 f ( 信号最高频率) 犯“。采样后的波形进行恢 复后如图2 1 所示。 2 1 2 插值原理 插值是确定某个函数在两个采样值之间的数值时采用的运算过程。插值方法 就是寻求函数的近似表达式的方法。用计算机显示图形时，如果一个图形比较粗 糙，或者一个图象的分辨率太低，都可以用插值的方法使图形精美，或使得图象 的分辨率得到提高。插值通常是利用曲线拟合的方法，通过离散的输入采样点建 立一个连续函数，用这个重建的函数便可以求出任意位置处的函数值。这样便可 以不受仅在采样点处抽取输入信号值的限制。我们知道，对有限带宽的信号采样 会产生无限带宽信号，插值过程正好相反，它通过对离散信号作低通滤波处理， 减少了信号的带宽。插值函数对采样数值的平滑作用，恢复了在采样过程中丢失 的信息。因而插值可以看作是采样的逆过程【3 1 。 对于等间隔采样数据，插值可以表示为： 丝 厂( 功= 艺q 厅0 一)口 其中h 为插值核，g 为权系数，卷积对k 个数据作处理。上面的方程将插 值用卷积操作来表示，在实际应用中，h 总是对称的，即有厅俐= h ( - x ) ，o 即为 采样值。 插值核的性质可以通过其在频率域的特性来评估。理想的插值核在带通区具 有单位增益，在带阻区具有0 增益。因而可以有效地通过和抑制不同频率的信号 成分。 根据采样定理，当采样频率工不低于两倍的信号的最高频率时，信号能从采 样信号中完全恢复。即从理论上说，只要一2 l ，信号就能完全恢复。在实际 应用中，由于系统存在噪声，常取石；2 5 犏，甚至更大。在本系统中取工= 名。依采样定理可得恢复波形的方法： 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表一系统设计及底层驱动实现 渺。量。x ( 盯门s i n 艰 r c ( t n - t n s t 删s ) t s 弘矽 式中工5 。 这是理想的取样函数( 即s i n e 函数) 内插方法，实际应用中由于有限项的 近似，常采用带有加权窗口函数的取样函数来实现。方法如下： 瓣兰砌耐等笔制c 彩 p 缈 式中正2 彪，w 俐是加权窗函数。 2 1 3 触发工作原理 在数字存储示波器和逻辑分析仪系统中，都需要触发功能，用于指示系统自 动地采集和捕获信号，以便获得稳定的或者特定的信号波形。归纳起来，触发方 式大致可以分为三大类。根据触发信号的来源不同，可分为“内触发”和“外触 发”；根据触发边沿的不同，可分为“上升斜率触发”和“下降斜率触发”；根 据触发机制的不同，可分为“同步触发”、“预触发”和“后触发”；根据启动 触发的事件不同，又有很多的触发方式，如“图形触发”、“毛刺触发”、“状 态触发”、“时间限定触发”，等等1 4 f f 。 本论文设计的数字示波器采用电平内触发，即触发来源于输入信号本身，当 信号达到系统设定的触发电平时就产生触发f 3 】 6 】f 2 2 】，如图2 2 所示。 d l d i d s ：开扁鼎i 发门 图2 2 触发产生条件 在图2 2 中，第一种情况设置上升斜率触发，第二种情况设置为下降斜率触 发，触发点是d s 点，触发电平是d s 点的幅值。 预触发和后触发。示波器每次时基扫描都是由个触发事件启动的，这样 来我们通常就只是研究观察触发时刻以后的信号变化情况。在很多应用场合，我 7 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现 们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面，而是在触发以 后一段时间，或者甚至可能在触发之前。 预触发是指在触发之前，信号的波形数据已经开始采集。那么具有预触发观 察能力的示波器可以显示触发时刻之前的信号。 后触发是指在触发以后一段规定的时间才开始采集信号的波形。具有后触发 观察能力的示波器可以观测触发以后一段规定时间后的信号波形。 具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间 的大小，这可以用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以使得触发位置在 屏幕上或者在采集记录中移动。如果示波器具有很宽的触发位置控制范围，使用 起来将会是很方便的。 数字示波表属于便携设备，在功耗、体积、功能方面都提出了较高的要求。 因此，在系统的设计方面，本系统采取了自行设计专用外设控制芯片的方式，以 提高集成度，降低功耗和体积。 2 2 系统总体结构 本系统分为两大部分，包括硬件部分和软件部分，其中，硬件部分又分为模 拟和数字两个部分，如图2 3 所示。 图2 - 3 系统总体结构图 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表- 系统设计及底层驱动实现 硬件部分提供模拟部分及数字部分功能单元，两个部分各司其职，模拟部分 的职责为对被测输入模拟信号进行处理，具体有模拟信号调理，即对模拟信号进 行放大、衰减、限幅等；触发信号产生，即将模拟信号整形，产生对应的触发信 号。数字部分负责a d 转换器采样后的数据处理，提供了高速数据采集、触发信 号逻辑、频率测量、数据传送、显示控制等功能，此外，还包括一个c p u 模块， 它是系统软件运行的基础。 本系统构建于a l t e r a 公司的c y c l o n e 。系列产品上，应用了s o p c 技术，在 单芯片上集成了n i o s 。c p u 软核、示波表系统外设逻辑及存储单元，构成了示 波表系统的数字模块，辅以通道部分电路即可构成一个完整的示波表系统。在应 对用户需求的时候，由于数字模块构建于s o p c 技术，因此可以方便更改系统， 与系统软件升级不同的是，更改可深入到系统硬件部分，从底层改变或添加系统 的功能，由此带来的灵活性不言而喻。 软件部分在硬件模块提供的服务上，负责系统控制和数据处理，包括系统初 始化控制，程序主流程控制，系统显示功能控制，f i f o 数据采集模块控制，用 户界面交互，数据处理等功能。 示波表属于实时性较强的仪器，对各种任务的实时性要求严格，例如在显示 波形时要求不丢失数据，处理用户按键要及时等。因此，本系统软件采用了嵌入 操作系统进行任务调度，对于实时性要求较高的任务赋予高优先级，数据计算任 务给予较低优先级。除了采用嵌入操作系统外，系统还提供了人机界面以方便用 户交流。整个软件系统按照层次进行组织，处在最底层为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ) ，它将对硬件的控制逻辑封装成上层易于使用的各种基本服务，上 层通过调用接口函数使用服务。在硬件抽象层之上为操作系统层( o p e r a t i n g s y s t e ml a y e r ) ，此层负责任务调度，满足系统对实时性的要求。操作系统层之 上为应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，绝大部分系统功能在这一层实现，包括图形 用户界面( g r a p l l i cu s e ri n t e r f a c e ) 及数据处理程序等。此外，还有部分构建于 图形用户界面上的应用，如菜单选择、参数设置等。 2 3 系统相关概念及器件介绍 本系统涉及的技术众多，从硬件至软件，从数字技术到模拟技术，本节将对 其中的主要技术及概念作出说明。 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现 2 3 1s o p c 概念及s o p c b u i l d e r s o p c 即片上可编程系统( s y s t e mo n ap r o g r a m a b l ec h i p ) ，通过将嵌入式 处理器及各种i p 核集成在芯片中，从而实现可编程系统。s o p cb u i l d e r 是a l t e r a 公司实现s o p c 概念的一款软件。s o p cb u i l d e r 提供了一个强大的平台，用于组 建一个在模块级和组件级定义的系统。s o p cb u i l d e r 的组件库包含了从简单的固 定逻辑的功能块到复杂的、参数化的、可以动态生成的子系统等一些列的组件。 这些组件可以是从a l t e r a 或其他第三方合作伙伴购买来的i p 核，它们其中一些 是可以免费下载用作评估的。用户还可简单地创建他们自己的定制的s o p c b u i l e r 组件。s o p cb u i l d e r 库中已有的组件包括了吐 1 处理器 2 片内处理器 3 片外处理器的接口 4 i p 外设 5 ，存储器接口 6 ，通用的微夕l 设 7 通讯外设 8 。桥接口 9 数字信号处理( d s p ) i p 1 0 硬件加速外设 通过这些接口，用户可以方便的实现各种系统。 2 3 2a l t e r ac y c l o n e 系列芯片 a l t e r ac y c l o n e 器件基于成本优化的全铜1 5 vs r a m i 艺，容量从2 9 1 0 至 2 0 0 6 0 个逻辑单元，具有多达2 9 4 9 1 2 位嵌入r a m 。c y c l o n ef p g a 支持各种单 端i o 标准如l v t t l 、l v c m o s 、p c i 和s s t l 2 3 ，通过l v d s 和r s d s 标准 提供多达1 2 9 个通道的差分i ，o 支持。每个l v d s 通道高达6 4 0 m b d s 。c y c l o n e 器件具有双数据速率( d d r ) s d r a m 和f c r a m 接口的专用电路。c y c l o n e f p g a 中有两个锁相环( p l l s ) 提供六个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管理 电路，c y c l o n ef p g a 具有以下特性嘿 电子科技大学硕士论文；手持式数字存储示波表- 系统设计及底层驱动实现 1 新的可编程构架通过设计实现低成本 2 嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理- ( d s p ) 实施 3 专用外部存储接口电路集成了d d rf c r a m 和s d r a m 器件以及s d r s d r a m 存储器件。 4 支持串行、总线和网络接口及各种通信协议 5 使用p l l s 管理片内和片外系统时序 6 支持单端i o 标准和差分i o 技术，支持高达3 11 m b p s 的l v d s 信号 7 处理能力支持n i o si i 系列嵌入式处理器 8 采用新的串行配置器件的低成本配置方案 9 通过q u a r t u si i 软件o p e n c o r e 评估特性，免费评估i p 功能 1 0 q u a r t u si i 网络版软件提供免费的软件支持 2 3 3n i o sc p u 软核 a l t e r an i o s c p u 是基于流水线结构的通用r i s cc p u 。n i o s 同时支持1 6 及 3 2 位字长，并且具有高度的可配置特性。用户可轻松挂接各种外设到n i o s 上， 如f l a s h ，s d r a m ，t i m e r 等。此外，其具有强大的可扩展特性，用户可以轻易 的将自定义逻辑加入到n i o s c p u 中，并可实现用户指令集，如数字信号处理指 令，图形处理指令等，从而实现系统性能的提高。 皇王型丝奎竺堡主垒苎：兰堑茎墼羔童熊蚕丝室：至笙望盐墨堡堡里塑矍堡一 3 1 硬件模块设计简介 第三章示波表硬件模块简介 示波表系统硬件所实现功能在2 2 节中作了说明。为了实现系统需求，将系 统硬件分成两部分一一模拟部分和数字部分，如图3 i 所示。 图3 1 硬件模块结构框图 而这两部分又由众多的小模块组成。系统中数字部分的各个模块连接采用了 总线形式，具有节省片内资源，方便加入新模块，且可以由c p u 统一寻址，方 便程序控制的优点，但是，这种方式也存在一些缺点，例如存在总线竞争情况， 当所进行的操作对时间较敏感的时候有可能会出现在总线出无法得到资源进而 造成数据的丢失或操作的失败。因此，在使用总线形式连接各种外设的时候需要 综合考虑，并给出潜在问题的解决办法。数字部分的工作数据流如图3 2 所示 a d c 采样得到的并行数据不断出现在f i f o 数据存储模块的接口上，f i f o 模块根据触发信号处理模块所给出的信号，在适当的时机将数据存入到f i f o 中。 随着数据的不断存入，f i f o 数据准备就绪，此时，f i f o 模块通知d a t a t r a n s f e r 模块，随后，d a t at r a n s f e r 将数据送入到系统波形数据缓冲区中。至此，完成一 次波形的数据采集。系统中还包含些其他的模块，如c p u 软核模块，显示控 制模块和参数传送模块，这些模块的作用都是系统中不可或缺的，下面详细介绍 各个模块的设计及实现。 电于科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表- 系统设计及底层驱动实现 甲盯卜 百 u 商圈八商圉 厂 削 图3 2 数字部分数据流图 3 1 1f j f o 数据存储模块 f i f o 数据存储模块在系统中的位置如图3 3 所示。 图3 3f i f o 数据存储模块位置 它是系统中对速度要求最高的模块，从a d c 采样得到的并行数据在f i f o 存储模块的控制下进入f i f o 存储器中。本系统中的a d c 的最高采样率为 1 0 0 m h z ，因此，作为数据进入f i f o 后保存的场所，f i f o 存储控制模块的工作 速率必须_ 1 0 0 m h z 。f i f o 存储控制模块由r a m 存储空间和地址生成逻辑组成。 本系统采用了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片作为整个系统的基础，因此， f i f o 数据存储模块采用了a l t e r a 公司的双口r a m ( d u a lp o r tr a m ) 核来实现 卤鳕 甲蝴 袅 蚴 晰一 电于科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表一系统设计及底层驱动实现 对数据的存储。双口r a m 具有读写两个端口，并且可以同时发起读写操作的特 点。采用双口r a m 来实现数据存储的好处是控制灵活，可以实现各种数据存储 策略。a l t e r a 公司的双口r a m i p 核提供了灵活的控制端口，并具有很大的用户 自定义空间。用户可配置的参数有双读写端口或单读写端口、存储空间、输入位 宽、输出位宽、统一读写时钟或单独读写时钟、读写使能信号、时钟使能信号等。 在如此众多的可配置参数下，此i p 核能够应用的范围得到了扩展。在本系统中， 双口r a m 设计成单读写端口、读写时钟分离、具有写使能的方式。 在示波表系统中显示的波形为实际波形的一个片段，而此片段的开始及结束 处需要由某些特定的事件指示。因此，当事件未到来的时候，在a d c 上得到的 采样数据将源源不断的进入系统f i f o 中存储，随着存储数据的累积，必然会超 过系统的存储容量，这时需要使用环形存储的策略，将f i f o 存储空间实现成环 形，如图3 4 所示。 豳3 4f i f o 存储策略示意图 随着数据的不断积累，新数据不断覆盖旧数据，使环内的数据始终保持最新。 如此往复，当事件到来时，控制f i f o 内存入的数据数量，就实现了对事件的定 位。事件则可有不同的定义，一如示波器中的触发信号。为了实现上述的f i f o 存储策略，需要实现逻辑控制f i f o 的写入及读出地址生成，并根据事件信号控 制f i f o 的写使能信号。本系统中的地址生成逻辑实现了以上功能。地址生成逻 辑实现思想描述如下：逻辑起始时，模块将系统的读写地址都置为0 ( 表示0 矢 量，位数根据f i f o 存储空间大小而变化) ，当系统每有一次f i f o 写信号时， 将f i f o 的写地址递增，直到f i f o 地址到达极限时，将f i f o 写地址重新置0 ， 并开放事件使能。在事件未到达之前重复数据写入循环，直到事件出现( 如出现 触发信号) ，根据用户原先配置的参数，继续写入一定数量的数据后，禁止数据 的写入。自此，一段波形的数据显示完毕，模块将发出信号通知数据传送模块 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表一系统设计及底层驱动实现 ( d a m t r a n s f e r 模块) ，由数据传送模块将波形数据传送到内存中以便后继处理。 在系统的实现过程中，需要注意以下几个地方，首先，必须等待f i f o 存储空间 完全写满后才能开放事件使能。因为在每次准备好数据后，模块会停止对最新数 据的采集，所有最新的数据将丢失。在这种情况下，如果后继的处理没有写满 f i f o 而事件信号已经到来，则会导致将上一轮采集的数据作为本轮采集的最新 数据，由此引起数据的错误。其次，需要避免对事件的重复处理。在数据处理过 程中，事件有可能会重复发生，如测量周期信号时，触发信号根据信号电平值整 形所得，必然也是一周期信号，如果未对信号触发信号进行处理，将会导致事件 的重复，影响最后的测量结果。 3 1 2d a t at r a n s f e r 模块 d m at r a n s f e r 模块负责在系统各模块间传送数据，如将f i f o 数据存储模块 采集到的数据传送到s d r a m 中。由于系统是用a v a l o n 总线连接各个模块，因 此d m a t r a n s f e r 模块通过a v a l o n 总线接口传输数据( 总线接口时序描述参考3 1 7 节) 。在本系统中，d m a t r a n s f e r 可以采用两种方案实现，一是是用被动端口， 配合其他模块( 如c p u 模块) 实现被动传输，二是采用a v a l o n 主端口，主动发 起传输。在第一种方案中，被动方案需要c p u 或其他模块的参与，占用c p u 时 间，可能增加软件的复杂度，且由于功能模块分散，使模块内聚程度较低，加大 实现及调试的复杂度，在本系统中不予采用。第二种方案是用主动传输，从行为 上来看，此模块提供了一个完整的功能，即负责数据传输，在传输过程中不需要 其它模块的参与，仅需要给出传输起始信号。由于此模块使用了a v a l o n 总线主 端口的同步传输模式，因此，在实现上采用状态机的方式。此模块的状态转换图 如图3 5 所示。 图3 5 数据传输模块状态转换图 皇王型垫查堂堡主堕壅! 王塑苎墼羔壹壁重垫墨：墨竺堡盐墨塞星翌垫壅堡 一 群幕触发点倪艘 裳鞯诚形 图3 6 触发波形叠加原理幽 模块具体执行过程为：当模块收到传输起始信号时，配置目的地址，并在当 前总线周期发起传输，之后处于等待状态，当系统总线仲裁模块判定请求允许时， 模块将数据发送到总线上，在接下来的总线周期中，模块改变源及目的地址并准 备在下一周期再次发起传输。在模块设计中需要注意的问题是在总线发起传输 后，应及时将总线读或写信号取消，否则将导致系统总线长时间被占用，影响其 他模块的正常使用。 3 1 3 触发信号处理模块 触发信号处理模块主要功能是为f i f o 存储模块提供触发信号。由于示波表 的波形显示的特点是在连续的波形中分段截取并显示，如图3 6 所示。 因此，为了保证在不断的刷新过程中显示波形保持相对的稳定，在每一段波 形起始的地方要保持相同的相位，触发信号处理模块就是为了在保持波形相位相 同的关键的点上给出触发信号。除了以上的功能外，触发模块还可提供特殊的触 发功能，包括延迟触发，单次触发等。本模块触发信号的产生是以通道模块产生 的整形信号为基础，根据外部触发使能信号对当前的整形信号进行逻辑判断，同 步后在模块的触发信号端口输出。模块的整体流程图如图3 7 所示。在本模块的 实现中，需要注意的问题是避免触发信号的重复，这样会造成波形采集数据的错 误。这个问题需要与f i f o 数据存储模块相互配合来解决。 6 电子科技大学硕士论文；手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现 3 1 4n i o sc p u 构造 图3 ，7 触发信号处理模块流程图 本系统使用单芯片实现数字部分的控制电路，将外围控制电路同n i o sc p u 软核集成在一起。作为系统的控制核心，n i o s 软核构造时需要在其资源占用与 功能性之间作出平衡。n i o s 软核支持1 6 及3 2 位字长c p u ，在本系统中，由于 程序量较大，经过编译后的大小为3 3 3 5 8 6 字节，超过1 6 位c p u 可以寻址的范 围，因此采用3 2 位c p u 核。为了保存程序代码及数据，通过a v a l o n 总线挂载 上f l a s h 存储器。通过a v a l o n 总线挂上的外设还有s d r a m ，程序启动后在 s d r a m 中执行，以加快系统速度。在系统中，需要将用户开发模块挂载至a v a l o n 总线上，s o p cb u i l d e r 提供了用户自定义模块的挂载功能( 14 】，通过将a v a l o n 总 线的地址，数据，选择及一些用户自选信号从n i o s c p u 中引出，并将自定义模 块同接口连接，可以实现将模块的连接。同时，由于a v a l o n 总线中已经自带总 线仲裁模块l l a ) ，并提供地址译码结果，因此在挂接时用户逻辑无需考虑译码核 仲裁功能。在系统中，通过这些自定义接口，可以将本文中实现的外部控制逻辑 加入到系统中。经过定制后的n i o sc p u 软核如图3 8 所示。 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波蓑一系统设计及底层驱动宴现 3 1 5 参数传送模块 图3 8 n i o s c p u 软核图 本系统中，嵌入式c p u 软核与系统各个模块间需要进行大量的通信，例如， 当用户改变触发点位置的时候，抑或用户改变了触发模式( 自动，触发，单次) 的时候，都需要对系统模块的参数进行设置。如果每个参数都对应为c p u 软核 中的一个端口，那么将会占用大量的系统资源，此外，如果需求发生改变时，需 要添加新的参数将会成为一件困难的事情。首先，必须修改n i o sc p u 软核，添 加相应的端口，其次，需要修改软件模块，加入相应的端口驱动。一旦需要删除 某些端口，还会造成端口地址的重新分配，导致软件的进一步修改。为了避免此 类问题，在本系统中采用了单独的模块管理参数，在需要增加端口的时候，只需 要向端口中加入相应的地址及参数变量，就可以应对需求变更。本系统中，参数 传送模块充分利用了a v a l o n 总线从端口的优势，使c p u 通过总线访问系统端口 模块，对于模块内不同的参数，则在模块内采用地址译码实现。这样，可以有效 的使用总线资源。本系统模块接口如图3 9 所示。 m o d e 卜 ：f i 啤“：r岬舅j n 口mm p _ l 蛳瑚 o m 2 j r p 9 q ”帅 枷”队删卜田瓣 哪脚n 1 脚 9 曲“”创卜竹哪烈 芝咖o m 3 月l “ m j 二f 。”卜十j 5 ，：融 ：m o “ 2 ao in j d d o m h d 一 r b 屯时 触i - -n f t m t p h l k 眦p q r t - 城 j d 嘲l n p 斟卜 工”r u r t p m “- “ ”“卜七e 蛳 j 曲# 捌 m “d a i j 口tq 卜一_ 一 一m j ，”d t ” 6 j i ! ： f l i e d m - mql 图3 9 参数传送模块图 1 8 电子科技大学硕士论文：手持式数字存储示波表系统设计及底层驱动实现 在模块的实现过程中，一个需要注意的地方是地址动态对齐问题，在用户自 定义从端口中，总线地址没有采用动态地址对齐，因此，在译码地时候可以采用 对总线地址的直接译码。