（电路与系统专业论文）基于sopc的数字存储示波器的研究与设计.pdf

基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 a b s t r a c t d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) i sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，w h i c hc a nb e u s e da sa l li n s t r u m e n ti nt h ef i e l d ss u c ha st e s ta n dm e a s u r e m e n t b e i n gc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l a n a l o go s c i l l o s c o p e ，d s o h a s m a n ya d v a n t a g e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s ，i tm a yr e p l a c ea n a l o go s c i l l o s c o p e a tp r e s e n t ，a ta b o a r dt h e t e c h n o l o g yf o rd s oi sv e r ym a t u r e ，a n dt h ed s op r o d u c t so c c u p ym o s to ft h e d o m e s t i cm a r k e ts h a r e i nd o m e s t i c ，h o w e v e rt h er e s e a r c hf o rd s oi ss t i l la tt h es t a r t s t a g e i nr e c e n ty e a r s ，m a n yd o m e s t i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n du n i v e r s i t i e sh a v e i n c r e a s e dt ot h ed s or e s e a r c h ，a n dh a v em a d eg r e a tp r o g r e s s e s t h ef u n c t i o n so f d s oh a v e b e e nr e m a r k a b l yi m p r o v e d f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fo s c i l l o s c o p e ，t h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r sa n dr e c e n ta c h i e v e m e n t sa b o u td s oa r er e v i e w e di nt h i sp a p e r s o m e r e l a t e ds o p cd e s i g nt h e o r i e sa r ea l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y , s o p ct e c h n o l o g yi sa d o p t e dt od e s i g nad s o i nt h i sp a p e r t h ed e s i g n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h ed s o a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ed s ob e i n g d e s i g n e dh a sd o u b l ec h a n n e l sa n di tc o n s i s t so fs i g n a ls a m p l i n gs y s t e m ，t h ec e n t r a l p r o c e s s o rs y s t e m ，u s e ri n t e r a c t i o ns y s t e m ，e t c ( 1 ) t h es o f t c o r ep r o c e s s o rn i o s1 1e m b e d d e di nf p g ac o n t r o l st h ew h o l e s y s t e m ，p r o c e s s e s t h e s a m p l i n g d a t aa n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h e c o m m t m i c a t i o n sb e t w e e nc p ua n de x t e r n a le q u i p m e n ti n t e r f a c s ea r et h r o u g ht h e a v a l o i lb u s ( 2 ) t h ed i g i t a lc i r c u i t so ft h ed s oa l ed e s i g n e di nf p g a t h ed i g i t a lc i r c u i t s i n c l u d ef i f o ，t r i g g e rc i r c u i t ，p e a kd e t e c t i o nc i r c u i t ，t i m eb a s ec i r c u i t ，f r e q u e n c y m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a r i t h m e t i co p e r a t i o nc i r c u i t ，e t c ( 3 ) t h ed s o sh i 曲e s ts a m p l er a t ei s10 0 m s p sa n dt h er e a l t i m eb a n d w i d t hi s 2 0 m h z t h es a m p l ea c q u i s i t i o nm o d ei sr e a l t i m es a m p l e t h ed i s p l a ys c r e e nb e i n g u s e di sl c d ( 4 ) t h ep a r a m e t e r so rf u n c t i o n si ss e l e c t e do rc h a n g e db yb u t t o n s t h ef u n c t i o n s 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 o ft h ed s os y s t e mi n c l u d e ：n o r m a ls a m p l ea c q u i s i t i o n ，p e a ka c q u i s i t i o n ，s i g n a lo r d u a lc h a n n e ld i s p l a y i n g ，a d do p e r a t i o no rs u b t r a c t i o nd i s p l a y i n g t h ep a r a m e t e r s b e i n gc h a n g e di n c l u d e ：t r i g g e rl e v e l ，t i m e b a s e ，v e r t i c a ld e f e c t i o nc o e f f i c i e n t ， w a v e f o r mm o v i n gu po rd o w n ，e t c l a s t l y , t h et e s t i n gm e t h o do fd s o i sr e v i e w e d ，a n dt h et e s t i n gd a t af o rt h ed s o b e i n gd e s i g n e di n t h i s p a p e ri s r e c o r d e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ef e a s i b l ea n dt h ee x p e c t e d f u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sc a nb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ；s o p c ；f p g a ；s o f t c o r ep r o c e s s o rn i o si i i i i 的研究与设计 1 1 ：! ：i ! ； 5 2 2 数字存储示波器的主要技术指标5 2 3 数字存储示波器采样方式6 2 3 1 实时采样7 2 3 2 等效采样7 第三章s o p c 技术简介9 3 1 s o p c 技术9 3 2n i o si i 软核处理器1 0 3 3 s o p c 开发流程：1 2 第四章数字存储示波器设计方案1 6 4 1 数字存储示波器开发流程1 6 4 2 数字存储示波器的技术指标及功能1 7 4 3 数字存储示波器的设计方案1 8 4 3 1 系统控制与信号处理部分方案1 8 4 3 2 信号采集电路方案1 9 4 3 3 人机接口电路与电源电路方案2 0 4 3 4 数字电路部分方案2 l 4 3 5 数字存储示波器整体设计方案2 2 4 4 应用软件的选择2 4 第五章器件选择。2 5 5 1 f p g a 及其外围器件2 5 5 2 a d 转换器件2 8 i v 6 3 3 外部存储器电路4 l 6 3 4n i o si l 系统创建4 2 6 3 5 数字电路部分的设计4 4 6 4 人机交互电路5 0 6 5 电路电磁兼容性设计5 2 6 6 硬件调试5 2 6 7 软件设计。5 2 第七章系统调试5 6 7 1 测试方案5 6 7 2 显示测试与分析5 7 7 3 频率测试6 4 7 4 峰峰值测试6 5 第八章结论6 7 参考文献6 8 致谢。7 1 v 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 第一章绪论 本章主要介绍模拟示波器与数字存储示波器的特点，以及国内外关于数字存 储示波器的研究现状；指出本文在研究与设计数字存储示波器方面的工作内容。 1 1 示波器的特点 示波器作为时间域电子测量仪器，在测量领域应用极其广泛，它可用来观察、 测量、记录各种瞬时物理现象，是一种以波形方式显示其与时间关系的电子仪器。 它不仅可定性观察电路的动念过程，还可定量测量电信号的电压、电流、周期、 频率、相位等各种参数。示波器的发展大致分为模拟示波器和数字示波器两大类。 随着数字电子技术的发展与应用，半导体制造工艺以及各种大规模和专用集成电 路在示波器中的应用，示波器的数字化成为当前发展的主要趋势。 ( 1 ) 模拟示波器 传统的模拟示波器用c r t 作为显示屏，把需观测的两个电信号施加到示波 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。 模拟示波器具有以下的一些特点【1 】：( 1 ) 操作简单。( 2 ) 垂直分辨率高。连 续而且无限级；而一般的数字示波器分辨率只有8 位至1 0 位。( 3 ) 数据更新快。 每秒捕捉几十万波形。( 4 ) 实时带宽和实时显示。连续波形与单次波形的带宽相 同，数字示波器的带宽与采样率密切相关，采样率不高时需借助内插计算，容易 出现混淆波形。 ( 2 ) 数字存储示波器 数字存储示波器是随着模数转换器( a d c ) 的发展而趋于实用化的示波器， 并有取代模拟示波器的趋势。数字存储示波器将输入的模拟信号经过a d 转换， 变成数字信号，存储于数字示波器中。需要时将存储的内容读出，经适当处理后 显示在l c d ，或通过d a 转换，将数字信号变换成模拟波形显示在示波管上【2 1 。 采用实时采样方式的数字存储示波器既适用于重复信号的检测，也适用于单次瞬 态信号的测量。在采样频率不高时，可以采用等效采样方式检测周期性信号。 1 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下的优点：( 1 ) 能有效的 存储和重现各种慢速信号和单次瞬变信号。( 2 ) 具有预触发及延迟触发能力。( 3 ) 具有自动测量功能。( 4 ) 显示方面，采用液晶显示器，解决了带宽对c r t 的限 制，并在显示器的寿命方面有很大提高。( 5 ) 在波形处理方面，由于数字存储 示波器的内部使用了微处理器，它能够在所获得的波形上完成幅度和时间、参数 及波形运算等功能，例如可以对信号进行频率周期的测量、波形幅值的测量， 还可以进行数字滤波、f f t 运算( 即快速傅里叶变换) 等。 1 2 数字存储示波器的国内外研究现状 从目前情况来看，国外在数字存储示波器领域的技术已经相当成熟，并且占 领了绝大部分的国内市场份额，其中国外的三大公司，美国泰克、安捷伦、力科 等生产的示波器是市场上的主流。泰克公司的示波器一直处于领先地位，被世界 公认为示波器的权威。泰克公司推出的d p o 系列示波器具有独特的保证高信号 保真度的获取结构，能够利用先进的触发系统，提供快速瞬态信号或重复信号的 多通道获取，具有先进的波长处理等能力。d p 0 7 0 0 0 0 b 系列的示波器具有 4 g h z - 2 0 g h z 的带宽，采样率为2 5 g s s 或5 0 g s s ，存储深度1 0 m p t s 通道，4 通道。力科公司在示波器方面排行第三，它也推出了各种信号的示波器，并具有 独特的特点：能够自动测试3 2 种参数；存储长度长，长存储提供了高的分辨率； 力科公司独有的存储管理系统，配合其先进的峰值检测电路，使得整个波形在单 一屏幕显剥3 1 。力科公司推出的s d a l l 0 0 0 示波器为4 通道1 1 g h z 6 g h z 串行数 据分析仪，在2 通道模式下为l l g h z ，采样率4 0 g s s ，存储深度1 6 m p t s 通道， 在4 通道模式下6 g h z ，采样率2 0 g s s ，存储深度8 m p t s 通道。安捷伦公司推出 的d s 0 9 0 0 0 a 系列示波器的带宽为2 5 g h z - 1 3 g h z ，采样率为2 0 g s s 或4 0 g s s ， 4 通道，存储深度为l o m p t s 通道至1 g p t s 通道。 目前，数字存储示波器不断向着高带宽高采样率，以及多功能方向发展。从 性能方面看：( 1 ) 向高带宽、高采样率发展。比如泰克的d p 0 7 0 0 0 0 b 系列，带 宽最高可达2 0 g h z ，采样速率达5 0 g s s 。( 2 ) 波形捕获速率大大提高，每秒钟 可达几十万帧每通道。( 3 ) 存储深度大并且可以扩展。如安捷伦的d s o d s a 9 0 0 0 0 a 系列示波器在4 0 g s s 采样率下，每通道同时达到1 g p t s 的存储深度。 2 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 ( 4 ) 测试功能向多功能方向发展。不仅是针对时域进行测量，还扩展到对多领 域进行测量。 与国外相比，国内的数字存储示波器研发尚处于起步阶段。主要的厂商，如： 鼎阳科技、普源精电、优利德、绿扬等公司纷纷推出自己的数字示波器，他们在 数字示波器市场开拓及技术创新方面取得了很好的成绩。普源精电推出d s 6 0 0 0 系列的数字示波器为国内第一台带宽达1 g h z 的示波器，实时采样率达5 g s s ， 存储深度达1 4 0 m p t s 。但与国外的大公司相比，国内企业仍然有很大的差距，产 品主要针对带宽在5 0 0 m h z 以下的低端示波器市场。但随着近年来高速通用器件 的迅速发展，a d c 、f p g a 、d s p 等芯片在速度和集成上明显提高，国内具备了 开发宽带数字存储示波器的条件，但在整机工艺设计，以及可靠性等方面与国外 差距还较大。 1 3 本文的主要工作内容 本文设计的数字存储示波器实时带宽为2 0 m h z ，可以满足日常测试时使用， 且成本较低。本文所采用的s o p c 技术是近几年来发展起来并被逐渐广泛使用的 技术，在f p g a 中嵌入n i o si i 软核处理器，代替传统的m c u + f p g a 的模式， 将控制部分与数字电路部分集成在一片f p g a 内部，实现了片上系统，减小了体 积和功耗；同时由于n i o si i 处理器是3 2 位的r i s c 处理器，数据处理速度及指 令执行速度均优于传统的m c u ，且具备高速缓存、中断处理功能。使用s o p c 方案进行数字存储示波器设计，易于系统的升级与修改，简化了电路，同时也降 低了成本。 本文的主要工作内容安排如下： 第一章介绍模拟示波器与数字存储示波器的特点，以及国内外关于数字存 储示波器的研究现状。 第二章介绍数字存储示波器的组成、工作原理、主要技术指标、以及实时 采样方式与等效采样方式。 第三章讨论s o p c 技术的特点及实现、n i o si i 处理器类型与特点、并详细 介绍了s o p c 的开发流程，为本文的后续工作提供预备知识。 第四章说明数字存储示波器开发流程、需求分析情况，示波器各部分的设 3 基t - s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 体设计方案，并对设计中所使用的应用软件进行了说明。 阐述数字存储示波器主要器件的选择，并对选用器件的特性作简单 说明数字存储示波器的电路原理图、f p g a 的硬件设计及n i o si i 处 开发设计。 给出了数字存储示波器的测试方案与测试结果，并对测试结果进行 总结全文。 4 基y - s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 第二章数字存储示波器原理 本章介绍数字存储示波器的基本组成、工作原理以及主要技术指标，并对实 时采样方式与等效采样方式进行说明。 2 1 数字存储示波器的基本组成 数字存储示波器的基本组成如图2 1 ，主要包括信号调理电路、a d 转换电 路、数据存储电路、系统控制与信号处理电路、电源电路、键盘电路与l c d 显 示电路等。具体工作过程为：被测信号从输入通道输入，经调理电路进行适当的 放大或衰减后送入a d 转换电路进行模数转换，在采样与存储控制电路的控制 下存储到存储器中，然后再将所存储的数据从存储器中读出，经处理后送液晶进 行显示。 图2 - 1 数字存储示波器的基本组成 2 2 数字存储示波器的主要技术指标 数字存储示波器的主要性能指标参数有： ( 1 ) 最高采样速率：指每秒的采样次数，由a d 转换器的速率决定。采用 不同类型的a d 转换器，其最高采样速率也不同。在任意一个扫描时间t d i v ( 即 厂 时基) ，采样速率以= j ，其中n 为每格采样数，单位以m s s 或m s p s 表示 i ，口z v ( 这里s s 或s p s 表示每秒钟采样的点数) 4 1 。 ( 2 ) 存储带宽：数字存储示波器的存储带宽分为单次信号存储带宽和重复 5 基ts o p c 的数字存储示波器的研究与设计 信号存储带宽。对于单次信号和慢速变化的信号，数字存储示波器采用实时采样 方式工作，其带宽取决于最大采样速率和所采用的显示恢复技术。对一个满刻度 的正弦波来说，单次存储带宽b w = 非，式中，m “为最高采样速率，k 为一 常数。用纯点显示时，k 约等于2 5 ；用矢量显示时，k 约等于l o ；用正弦内插 显示时，k 约等于2 5 1 4 1 。重复信号存储带宽是指数字存储示波器测量重复信号 时的3 d b 带宽。由于一般使用了非实时等效采样，故重复带宽可做得很宽。当 数字存储示波器的采样速率足够高，即高于标称带宽的4 5 倍时，它的单次存储 带宽和重复存储带宽是一样的，称为实时带宽。 ( 3 ) 垂直灵敏度：指示波器显示的垂直方向( y 轴) 每格所代表的幅度值， 常以v d i v 表示。垂直灵敏度参数表明了示波器测量最大和最小信号的能力【3 】。 ( 4 ) 垂直分辨率：一般是指仪器内部所采用的a d 转换器在理想情况下进 行量化的比特数，以b i t 表示【3 1 。 ( 5 ) 存储深度：指数字存储示波器的采样存储器能够连续存入样点的最大 字节数，常以k b 或k p t s 表示【3 1 ( 其中b 为字节，p t s 为样点) 。 ( 6 ) 时基( v d i v ) ：也称为扫速或水平偏转因数、扫描时间因数、扫描。指 示波器显示的水平方向( x 轴) 每格所代表的时间值，以s d i v 、m s d i v 、u s d i v 、 n s d i v 、p s d i v 表示，取决于来自a d 变换器的数据写入存储器的速度以及存储 容量。时基为相邻两个采样点的时间间隔( 采样窗口) 与每格采样点数的乘积， ， 即t d i v = n 。由此式可看出，在a d 变换速率相同的条件下，存储容量越大， 】s 则时基也越大【4 】。 ( 7 ) 水平分辨率：指数字存储示波器在进行t 测量时所能分辨的最小时 间间隔值，主要由仪器内部的精密内插器决定。如果不施加任何内插，当采样速 率为时，则示波器的时间间隔分辨为1 f s ；如果施加了触发内插，当内插器的 增益为n 时，则示波器的时间间隔分辨率为1 ( n f , ) t 3 j 。 2 3 数字存储示波器采样方式 数字存储示波器的采样方式有：实时采样和等效采样。而等效采样又可分为 随机采样和顺序采样。对于重复信号，数字存储示波器多采用等效采样方式；而 6 基y - s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 对于单次瞬变信号或慢速变化信号，数字存储示波器则采用实时采样方式。 根据n y q u i s t 采样定理，任意一个最高频率为f m 的模拟信号，只要满 t _ q ( 2 f m ) ，就可以用间隔为t 的一系列离散采样值代替原信号，而不会丢失 信号的任何信息，理论上可以精确的重建原信号。但实际上以接近n y q u i s t 定 频率两倍的速率去采样的话是很难获得测量精度的，所以通常以信号频率的 倍甚至l o 倍的频率去采样【5 1 。 2 3 1 实时采样 实时采样是数字存储示波器的基本采样方式，它是在触发后的一个周期内， 连续高速的对模块信号进行采样，一次捕捉完这个周期内信号的全部波形数据； 所有采样点都是按一个固定的顺序采集，波形采样数据的顺序和采样数据在示波 器屏幕上显示的顺序是一样的。 采用实时采样的示波器测量重复信号和测量单次信号具有相同的带宽，称为 r 实时带宽和单次带宽。根据n y q u i s t 定理，采样频率至少为被测信号上限频率的 2 倍，但是为了更加精确的恢复波形，实际上一般用5 至1 0 倍的频率去采集数 据。如果用适当的内插算法，实时采样数字存储示波器的采样频率一般规定为带 宽的40 5 倍；如果不用内插算法，则一般规定采样速率为实时带宽的1 0 倍【5 】。 2 3 2 等效采样 对于实时采样的数字存储示波器，如果为带宽1 0 0 m h z ，就要求a d c 的转 换速率不能低于4 0 0 m s p s ，这样高速的a d c 和数据存储器价格都比较高。因此， 目前高带宽并且记录长度长的实时数字存储示波器，其价格非常贵。由于测量的 大多数信号都是重复信号，为了以较低的采样速率获得很高的重复信号测量带 宽，可以采用随机采样或者顺序采样技术。 ( 1 ) 随机采样 随机采样是指每个采样周期采集一定数量的样点，经过多个采集周期的样点 积累，最终恢复出被测波形。使用这种采样技术必须满足：( 1 ) 波形必须是周期 性的；( 2 ) 必须能稳定触发。如图2 2 所示，由于信号与采样时钟之间是非同步 的，使得每个采样周期的触发点( 由上升沿产生) 与下一个采样点之间的时间间 7 基ts o p c 的数字存储示波器的研究与设计 隔是随机的。又因为信号是周期的，可以将每个采样周期的采样等效为对由触发 点确定的“同一段波形 的采样。因而通过多个采样周期后，以触发点为基准将 各采样周期的样点拼合，可以得到一个重复的由触发点确定的一段波形的密集采 样点，这样就恢复了这段波形【6 i 。 蔫嘲晨辑期期 nhnnn ( 2 ) 顺序采样 图2 - 2 随机采样示意图 顺序采样对每一个信号周期仅采样一个点，用步进延迟的方法，对周期信号 波形的不同点进行采样，从而获得整个波形的采样数据。只要精确控制从触发获 得采样的时间延迟，就能够准确的恢复出原始信号。由于顺序采样的所有采样都 是在触发信号之后发生的，因此不能够提供触发前的信息7 1 。在顺序采样模式下， 采集波形的周期数，即触发事件数等于存储器的记录长度。 8 ( 7 ) 单芯片，低功耗，微封装。 与基于a s i c 的s o c 相比，s o p c 具有更多的特点和吸引力：开发软件成本 低，硬件实现风险低，产品上市效率高，系统结构可重构及硬件可升级等，它还 具有设计者易学易用、高附加值、产品设计成本低等优势。 通过它，可以很快的将硬件系统( 包括微处理器、存储器、外设及用户逻辑 电路等) 和软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的i c 设计。这种 设计方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点。现今，可将s o p c 视为是基 于f p g a 解决方案的s o c ，有下列几种途径构成s o p c 方案【8 】： ( 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 此方案是在f p g a 中预先植入处理器。目前最常用的嵌入式处理器大多是采 9 基丁s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 用含有a r m3 2 位知识产权处理器核的器件。此方案存在以下的不足： ( a ) 由于此类硬核多来自第三方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识 产权费用，从而导致f p g a 器件价格相对偏高。 ( b ) 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构， 如总线规模、接口方式、指令形式等，更不可能将f p g a 逻辑资源构成的硬件模 块以指令形式嵌入硬件加速模块( 如d s p ) 。 ( c ) 无法根据实际设计的需要，在同一f p g a 中集成多个处理器。 ( d ) 无法根据需要来裁剪处理器的硬件资源，以降低f p g a 的成本。 ( e ) 只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式处理器。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 利用软核处理器就能弥补上述硬核处理器的不足。目前最有代表性的软核处 理器分别是a l t e r a 公司的n i o si i 核，以及x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 核。其中a l t e r a 的n i o si i 核是用户可随意配置和构建的3 2 位嵌入式处理器m 核，采用a v a l o n 总线结构通信接口。在把n i o si i 植入f p g a 前，用户可以根据设计要求，利用 q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，对n i o si i 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统 在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户设计的要求。n i o si i 核在 同一f p g a 中的植入数量没有限制，只要f p g a 资源足够即可。 通过m a t l a b 和d s pb u i l d e r ，用户可以用n i o si i 处理器设计各类硬件数字 处理器，并以指令的形式加入n i o si i 的指令集。 ( 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 h a r d c o p y 是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而解决传统a s i c 设计中普遍 存在的问题。 3 2n i o si i 软核处理器 在2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 软核r i s c 处理器，这是a l t e r ae x c a l i b u r 嵌 入处理器计划中的第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处 理器。继第一代可配置嵌入式软核处理器n i o s 之后，2 0 0 4 年6 月，a l t e r a 公司 又推出了性能更好的n i o si i 嵌入式软核。n i o si i 处理器【8 1 是a l t e r a 公司开发的 1 0 基丁s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 基于s o p c 技术的3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 处理器软内 核，采用改进的哈佛存储器结构，处理器带有分离的数据和程序存储器总线控制， 具备高速缓存、中断处理功能，它的性能超过2 0 0 d m i p ( d h r y s t o n em i l l i o n i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 。在低成本f p g a 中实现时成本只有3 5 美分。 n i o si i 处理器是一种采用流水线技术、单指令流的r i c s 处理器，大部分指 令可以在一个时钟周期内完成。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可 以在多种n i o si i 系统设置组合中选择，满足成本和功能要求。采用n i o si i 处理 器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现 处理器逐渐过时的情测引。 利用s o p cb u i l d e r 软件中的用户逻辑接口向导，用户还可以生成自己的定 制外设，将其集成在n i o si i 处理器系统中。使用s o p cb u i l d e r ，用户可以在a l t e r a f p g a 中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置，得到用户所需的 结果【8 1 。 n i o si i 处理器系列包括3 种内核：经济型的n i o sl y e 、标准型的n i o sl y s 、 快速型的n i o si y f 每一种型号内核都针对价格和性能进行了优化。表3 1 列出 了这3 种方式的部分性能对比。 表3 - 1n i o si i 处理器的3 种实现方式 特性n i o s i i en i o s i 珧n i o si i f 最大d m i p s 3 l 1 2 7 2 1 8 最高工作频率 2 0 0 m h z 1 6 5 m h z 1 8 5 m h z 占用f p g a 资源 7 0 0 l e s p i n s 菜单，也可以用t c l 脚本文件。用t c l 文件进行配置，可重用性好，易于管理。本文使用这种方法进行引脚 分配。建立方法是，在工程目录下建立一个n a m e 为s e t u p t c l 的文件，进行引脚分配， 然后打开t o o l s - t c ls c r i p t s ，选中编辑的s e t u p t c l ，并点击r u n ，如下图6 3 l 所示， 即完成引脚分配。 ( c ) 再次编译。分配完引脚后还须进行再次编译才能存储这些引脚锁定信息。 ( d ) 配置文件下载。选择“t o 。l s 专p r o 黟a m m 盯，菜单，或单击工具栏上的型按钮，设置 下载电缆为 b y t e b l a s t e r l i 【l p t l ”，调试阶段用j t a g 模式下载，相应的下载文件为“s o f 格式，系统运行正常后用a c t i v es e r i a l 模式下载，将“p o f 的配置文件烧写到配置芯片 e p c s 4 中。 4 9 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 l i b f a r 咕誊 b m l _ 1 1 1 1 1 1 1 1 q p e n f l e l 一嚣dwddlo 叫c 0 ”讥川靴伽7 d dl o ildloollh 一d 如i d ： l d 击叱岘舯咖血叫q n c e il 莹口幅” # s e t u p t c l # s e t u pp i ns e t t1 r i gf o rd s o1 l s 一g l o b a l _ a s s l g n m e n c n a m i er e s e r v e a l l u n u s e d p i n s ”勰i n p u tt r i s t i t e d 。j s e t _ g l o b a i _ a s sz g n n n t n me n a b l e i n i t _ d 淝_ o u t p u to f r s e t l o c a t i o n _ a s s t g n n 镕n tp i n - 2 3 一t oc l k i n s e t l o c a t i o na s s l g n n 镕n t p i n 一1 1 2 。c oa d c _ c l k l r ，j s e t i o c a t l o n _ a s s l g n m e n tp i n 一1 1 5 一t oa d c c l k 2 7 一 s e t _ l o c a t i o na s s i g n m e n tp i n 一1 0 2 一c or e s e t s e t l o c a t i o n a s s i g n m e n tp i n 一1 3 4 一乞od u m p l ；7 s e t i o c a t i o n _ a s s i g n m e n tp i n _ 1 3 5 一t od u m p 2 s e t l o c a t i o na s s i g n m e n tp i n 一1 2 8 一t oc o u p l e l s e t l o c a t l o n a s s i g n m e n cp i n 一1 3 3 t oc o u p l e 2 s e t l o c a t i o na s s l g n m e n tp i n 一1 4 9 一t oa d cd a t a l 【o 、】 - i 逸f ， 石 6 4 人机交互电路 图6 - 3 1f p g a 引脚分配 人机界面是用户与仪器互相传递信息的媒介，是信息的输入与输出的通道。人机交 互电路包括液晶显示电路与按键输入电路两部分。 ( 1 ) 液晶显示电路 显示屏是人机交互的关键设备，液晶显示器( l c d ) 具有可编程驱动、接口控制方 便、显示信息多、高画质、无辐射、体积小、功耗低等特点，在智能设备，尤其是便携 式仪器仪表中得到广泛的应用。 本文选择型号为c t 0 2 8 t n 0 3 的彩色点阵型t f t 液晶模块，这款液晶提供了1 6 8 b i t 系统接口，分辨率为2 4 0 x 3 2 0 ，可显示6 5 k 2 6 2 k 种颜色，高亮度，高对比度，低功耗， 有四线电阻触摸屏，内置驱动芯片h x 8 3 4 7 ，可用于对图像显示质量要求较高的设备上。 设计时不使用触摸功能，使用1 6 位的并行总线系统接口方式，液晶的控制由n i o si i 软 核处理器来完成，液晶的数据线及控制线作为p i o 口添加到n i o si i 系统中。液晶驱动 电路如图6 3 2 所示，其中r 6 9 用于背光调节。 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 ( 2 ) 键盘电路 图6 3 2l c d 驱动电路 键盘作为人机接口的输入部分，可以用来输入数字数据或者选择控制设备的操作模 式。常用的键盘可分为编码键盘和非编码键盘。通用微机系统中使用编码键盘，专用微 机系统中常使用非编码键盘。这两种键盘的主要区别是识别键码及给出相应键码的方法 不同。编码键盘主要用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要由用户软件来实现对键 盘的定义和识别。键盘形式一般有独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立式键盘结构简单， 每一个按键的电路是独立的，占用一条数据线，当其中任意一个按键按下时，。它所对应 的数据线的电平就变成低电平，读入微处理器的数据就是逻辑0 ，表示键闭合。若无键 闭合，则所有的数据线的电平都是高电平，这种结构的缺点是占用资源多，通常用在按 键较少的场合；矩阵式键盘的结构相对复杂，但占用的资源较少，通常用在按键数量较 多的场合。 本文的示波器中使用了1 4 个按键，按键数量较多，为了节约i o 口资源，选用4 x 4 矩阵式键盘进行设计，如图6 3 3 所示。按键处理包括按键扫描与键值识别，用软件延 时程序进行按键消抖。按键的功能包括：触发方式选择、垂直灵敏度选择、时基选择、 触发电平调节、波形上下移动、耦合方式选择、显示通道选择、算术运算方式选择、显 示类型选择、采样模式选择等。 5 1 基于s o p c 的数字存储示波器的研究与设计 即阻融融 k o kr 巴l已兰 碧7 一 j厂一广一厂一褂 9 5 s 6 s 7 广广一广厂 ：二l -竺l 巴一 ! ! l 黝憾广广一广一厂一 搿 s 1 3s s us m _ _ l - _ 一 嗽厂厂广一广一彤 6 5 电路电磁兼容性设计 图6 - 3 3 矩阵键盘电路图 要使系统可靠、稳定地运行，电磁兼容性设计是很重要的。电磁兼容性设计主要考 虑以下方面： ( 1 ) 将“模拟 地与“数字 地分开，最后在一点用0 f l 电阻将它们连接，避免 模拟电路部分中的干扰信号窜入数字电路部分。 ( 2 ) p c b 板上的器件按电路工作顺序排列，减小各级之间的电磁耦合，力求器件 安排紧凑、密集，以缩短引线。 ( 3 ) p c b 板采用大面积铺地，提高抗干扰能力。 ( 4 ) 在每个芯片的电源处对地跨接一个大电解电容( 如4 7 l l f ) 和若干小电容( o 1 l l f ) 进行滤波。 6 6 硬件调试 电路焊接完毕后需进行硬件调试，调试的重点包括：信号调理电路、采集电路及触 发电路、测频电路、峰值检测电路与键盘控制电路、液晶显示电路。信号调理电路要保 证在各垂直灵敏度档位下将输入的模拟信号调理到符合a d c 要求的输入幅度范围；触 发电路要实现上、下沿触发以及自动触发、正常触发，触发电平可调整等；测频由f p g a 内逻辑资源实现，要合理设置产生测试信号脉冲的整