（测试计量技术及仪器专业论文）基于sopc技术的手持式数字示波表的设计与实现.pdf

摘要 基于s o p c 技术的手持式数字示波表的设计与实现 作者简介：李向上，男，1 9 7 8 年1 2 月出生，师从成都理工大学吴建平教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业，获得工学硕士学位。 摘要 随着电子测试技术的不断发展，测试技术正向自动化、智能化、数字化的方 向发展。数字存储示波器以其优越的性能，有逐步取代传统模拟示波器的趋势。 但是由于台式示波器体积较大，不方便携带进行现场测试和野外作业，手持式示 波表的出现弥补了这一缺点。它凭借体积小、重量轻、电池供电、便于携带等优 点，在示波器领域占有一席之地。 本设计所研制的手持式数字存储示波表基于s o p c ( s y s t e m0 np r o g r a m m a b l e c h i p ) 技术，由采样系统、中央处理器系统、显示系统、用户交互系统等多个模块 组成。本设计选择了a l t e r a 公司的e p 2 c 2 0 芯片，该芯片嵌入了高性能的软核处 理器n i o s i i 。其独特的a v a l o n 总线，能方面实现与外设接口。由于采用f p g a 技 术，设计中将所有数字部分放在大规模可编程器件内部实现，利用可重构技术， 电路设计灵活、调试和维护方便，适合于模块化设计。采用n i o s i i 作为c p u ，增 强了本机的信号处理功能，使本机可以迅速地处理和分析大量的数据。这些功能 充分地显示了数字存储示波器的优势，也极大方便了用户使用。 本设计的电路板部分本设计采用核心板加扩展板的结构，核心板采用6 层结 构，扩展板采用双层结果，这样增加了系统的稳定性，减少了成本；数据采集系 是手持式数字存储示波表的核心，采用高速a d 芯片a d s 9 2 8 8 ，其最高采样率可 以达到1 0 0 m m p s ，实现了2 0 m h z 实时带宽；由于s d 卡存储容量大，携带方便，成 本低等优点，所以作为本设计的主要数据存储设备，其驱动部分采用s d 卡软件包， 为开发带来了方便；本设计采用3 2 0 术2 4 0 点阵液晶屏作为人机交互的显示部分， 其中，2 5 0 木2 0 0 作为波形显示区，其他部分作为菜单设置区，这样方便了用户操 作。 关键词：数字存储示波表，s o p c ，高速a d ，n i o s l l ，s d 卡 p r a c t i c a ld e s i g n0 fp o r t a b l ed s o b a s e do ns o p ct e c h n o l o g y i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：l ix i a n g - s h a l l g ，m a l e ，w a sb o mi nj u l y ，l9 81 ，w h o s et u t o r w a sp r o f e s s o rw uj i a n p i n g ，g r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo fm e a s u r e m e n ta n d i n s t m m e n tm a j o ra n d 铲a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cm e a s u r i n gt e c h n o l o g y ， m e a s u r l n g t e c h n 0 1 0 9 yi sg e a r e dt oa u t o m a t i z a t i o n 、 i n t e l l i g e n t i z a t i o n 、 n e t w o r k i n g 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 sg r a d u a l l yr e p l a c i n gt h e t r a d t i o n a la n a l o go s c i l l o s c o p e ， b e c a u s ei th a sp r e d o m i n a n tf u n c t i o n b u t t h ev 0 1 u m eo fd e s k t o po s c i l l o s c o p ei st o ob i gt ot a k ea n du s ei n f i e l d p o r t a b l ed s 0s u p p li e st h eg a p t h i sr e s e a r c ho fd s oi sb a s e do nt h es o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g y ，w h i c hc o n s i s t so fs a m p l i n gs y s t e m 、 c p us y s t e m 、d i s p l a ys y s t e m 、 u s e ri n t e r f a c e ，e t c t h ep a p e rs e l e c t st h ee p 2 c 2 0c h i po ft h e a 1 t e r ac o m p a n y ， w h i c he m b e d sn i o sw h oi sh i g hs o f t c o r ep r o c e s s o r t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e r ：t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h ec i r c u i t b o a r dw h i c hi st h eb a s i so ft h ed e s i g n t h ed e s i g na d o p t sc o r eb o a r da n d e x d a n db o a r d t h ec o r eb o a r dis6l a y e ra n de x p a n db o a r d is21 a y e r s o itism o r es t a b l ea n dr e d u c e sc o s t t h ed e s i g no fd a t aa c q u i r l n gs y s t e m i tist h eh a r d c o r eo ft h ed e s i g no fd i g i t a ls t o r a g eo s c i ll o s c o p e t h i s a d o p t s h i g hs p e e da dc h i p ( a d s 9 2 8 8 ) w h o s es a m p l i n gr a t ec o u l dr e a c h 1 0 0 m m p s s oi t sr e a lb a n dc o u l dr e a c h2 0 m h z s ds t o r a g ec i r c u it s dh a sh u g e s t o r a g e ， c o n v e n i e n c eo ft a k i n g ， 1 0 wc o s te t c s oi t i su s e da sm a l nd 1 9 1 t a l s t o r a g ec h i p i t sd r i v ep a r ti sc o n v e n i e n tb e c a u s ei ta d o p ts ds o f tp a c k a g e l c dc o n t r 0 1 a sd i s p l a ys y s t e mo fu s e ri n t e r f a c e ，t h i sd e s i g na d o p t3 2 0 木2 4 0 l c d 2 5 0 水2 0 0l c di su s e da sw a v ed i s p l a y t h ee l s ei su s e da sm e n ud l s p 上a y k e y w o r d s ：p o r t a b i ed s 0 s o p c ，h i g hs p e e da d ，n i o s ii ， s dc a r d 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，也不包含为获得盛壑理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同：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谓 意。 虢奎触 聊猡年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王太堂有关保留、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。本人授权盛壑理工太堂 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适用本授权书) 学位论文作者签名： ，- 套伺上 学位敝储导师虢兰蜜尹 洲g 年g 月弓同 第1 章绪论 第1 章绪论 测量足人类认识和改造世界的重要手段。没有测量，就没有科学。电子测量 是测量领域的主要组成部分。示波器是电子测量中的重要仪器，它能够完成时域 和频域的测量与分析。手持式数字存储示波表满足了野外、移动场合、窄小场地 的作业环境。 1 1 示波器概述 示波器是电子测量领域最摹本的、应用最广泛的测量仪器。它是利用示波管 内电子束在电场中的偏转，显示电信号随时间变化波形的一种观测仪器，它不仅 可以定性观察电路的动态过程，还可以定量测量电信号的电压、电流、周期、频 率、相位等各种参数，配以各种传感器，还可以用于各种非电量( 压力、声光信 号等) 的测量，是一种用途极为广泛的测量与观测仪器。在器件检修方面起着重 要的作用。示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号 转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验 现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管 和电源系统、同步系统、x 轴偏转系统、y 轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号 源组成。 传统的模拟示波器由于它本身存在着一些无法克服的缺陷，例如不能存储被测 波形、无法观测瞬时或单次信号、难以实现预触发功能等等，使得模拟示波器不 能很好地满足现代电子技术发展的需要。为了将各种信号无失真地显示并存储， 就必须采用数字技术，这也是数字示波器的基本思想。数字存储示波器是随着模 一数转换器( a d ) 的发展而趋于实用化的示波器。a d 把输入示波器的电压瞬时 值转换为对应数值，并保存在数字示波器中。采集完成后，从数字示波器中取出 这一系列数字，经过适当处理后再现电压对时f b j 的波形。由于数字存储示波器与 计算机技术的紧密结合，使其发展非常迅速，目前己成为示波器市场上的主流产 品。 数字示波器k l 主要有7 个优点： 1 ) 能捕获和显示瞬念单次信号； 2 ) 能观察发生在触发自仃的信号； 3 ) 具有高重复性结果的动念测量和精度，这是模拟示波器无法达到的； 4 ) 存储波形，数据文件的能力； 5 ) 具有硬拷贝输出的能力，可以对波形数掘实现硬拷贝，以供编制文件之用。 6 ) 自动测量与接口能力。能够方便的与电脑进行数据通信，实现虚拟仪器的功 成都理l ：人学硕十学位论文 能 7 ) 能够利用c p u 或d s p 强大的数据处理能力，进行参数分析及数学运算，提 高测试速度和精度。 为了适应无电力电源的野外、移动场合、窄小场地的作业区，示波器逐渐向小 巧发展，用电池取代了动力电。手持式示波表完全继承传统的数字存储示波器的 所有测量功能和技术性能，又具有体积小、携带方便、轻巧耐用等有点，迅速在 市场上占领了一席之地。 1 2 国内外研究现状综述 二十世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的丌发需要性能良 好的波形观察工具，泰克成功丌发带宽1 0 m h z 的同步示波器，这是近代示波器的 基础。随着a d c 采样技术的发展，逐渐兴起了数字示波器。但是以前的数字示波 器的屏幕更新速率慢，无实时采集能力1 9 9 4 年，h p 公司推出的5 4 6 0 0 b 系列数字 示波器克服了这一弱点。它可提供每秒1 5 0 万点或6 0 屏每秒的波形更新速率。 这样，输入信号变化，立即就可以看到显示的变化，同样，t e k t r o n i x 公司在d t s 7 0 0 系列示波器中采用了i n s t av u i i i 采集的新模式和含3 6 0 万晶体管的多路分解器集 成电路，使它能每秒捕捉4 0 万个波形。该公司最近推出的t d s 6 8 4 a 型4 通道l g h z 的数字示波器采用了获专利的数字实时取样技术，并增加了其它示波器都没有的 转换率触发和建立与保持触发。 在二十一世纪，基于实时取样量化技术的高速瞬念存储示波器的研制与生产 得到飞速的发展。泰克公司宣布推出d p 0 4 0 0 0 数字荧光示波器( d p o s ) ，这是在新 一代平台上开发的一系列便携式仪器。d p 0 4 0 0 0 示波器系列捐j 有3 5 0 m h z l g h z 的 带宽，率先提供了突破性的w a v e 工n s p e c t o r 技术。而安捷伦在示波器领域的丌发 动作也是接二连三。先是在2 0 0 5 年上半年推出四款便携式低价位数字存储示波器 ( d s 0 3 0 0 0 ) 系列( 6 0 m h z 2 0 0 m h z 带宽) ，又于2 0 0 5 年下半年推出四种新型数字存 储示波器和混合信号示波器( m s 0 ) ，其中6 0 0 m h z 和1 g h z 两种带宽的示波器采用了 安捷伦最新一代m e g a z o o m 专利技术| ：”，具有最深的存储器和最多的集成通道数以 及业内领先的波形观察能力。 手持式数字示波表在高速采样指标方面要滞后数字示波器的发展，这主要是 出于低功耗、小体积的考虑。f l u k e 等公司在二十世纪九十年代相继推出高性能 的手持式宽带数字存储示波表，并垄断国际国内市场，典型产品是福禄克公司的 f l u k e l 9 0 系列和泰克公司的t h s 7 0 0 系列，技术指标高，功能强，代表当今国际 最高水平。国外2 0 0 m h z 带宽的示波表，如f l u k e 公司的f l u k e l 9 9 系列 ( 2 0 0 m h z 、2 5 g s s ) 泰克公司的t h s 7 3 0 a ( 2 0 0 m h z 、1 g s s ) 技术已经十分成熟， 2 第1 章绪论 并在市场卜占据垄断地位。 我幽的示波器技术起步较晚，1 9 5 8 年我国第一台电子示波器诞j 卜，1 9 6 2 年 s b t 一5 单踪1 0 m i l z 研制成功，1 9 6 8 年，s r 一8 双踪1 5 m h z 示波器研制成功，1 9 7 0 年， 宽带1 0 0 m h z 单踪示波器研制成功，1 9 7 2 年，宽带1 0 0 m h z 双踪双时基示波器研制 成功。改革丌放后，我国的示波器技术也得到了迅猛发展。普源精电就是一个做 的比较好的企业，其前身是r i g o l 实验室，于1 9 9 8 年由王悦、王铁军和李维森三 个刚刚毕业大学生创立。2 0 0 2 年3 月，普源精电推出国内第一台数字示波器d s 3 0 0 0 系列，并量产。2 0 0 4 年普源精电又推出国内第一台达到l g s s 实时采样率的d s 5 0 0 0 系列，打破了海外公司在此领域的长期垄断地位，同时产品远销欧洲、美洲和亚 洲等地区。 国内手持式数字示波表由于起步晚，起点较低，所以市场上出现的产品最高 带宽为1 0 0 洲z ，如厦门利普公司的 l d s l 0 2 2 m 就是带宽为1 0 0 m h z 。由于受到高速 取样技术的限制，国内1 0 0 m h z 带宽的数字示波器大都采用重复采样技术。在架构 上，大都采用d s p + f p g a 架构。 1 3 课题研究的主要内容 数字存储示波表技术涉及很多方面，例如：模数转换技术、超高速数据采集 技术、显示技术等。通过对国内外主要公司产品工作原理的研究，掌握数据采样、 数据处理和波形显示技术。结合国内相关产品的j ：发经验，应用s o p c 川( s y s t e mo n p r o g r a i i l m a b l ec h i p ) 技术开发，试制手持式存储示波表样机。s o p c 技术是二十世纪 以来新兴技术，是用大规模可编程器件的f p g a 末实现s o c 的功能。希望通过本设 计，更好的把新技术运用到科研当中去。 1 4 手持式数字示波表的设计技术指标： 模拟带宽旧i ：2 0 洲z ，单次带宽：1 0 m h z 实时采样：1 0 0 m h z ，垂直分辨率：8 b it s 水平扫描：5 0 n s d i v 1 0 s d i v ：垂直扫描5m v d i v 2 0 v d i v 触发方式：自动、触发、单次 测量精度：5 标准信号：1 k h z 3 3 v l d c ：3 2 0 2 4 0 ，单色，有背景光 成都理l ：人学硕十学何论文 第2 章总体设计及采样理论 2 1 手持式数字示波表总体设计 数字存储示波器原理电路方框图如图2 1 所示。整个系统有模拟系统和数字 系统组成。系统在n i o s m l 的控制下完成采样、存储、显示和通信的任务。各个模 块之间通过a v a l o n 总线盯i 相互联系交换信息。采样部分工作原理是首先把被测信 号调理到a d 采样的电压范围内，经a d 采样后，在采样存储控制模块的控制下， 将数据存入片内s r a m 中，采样数据通过a v a l o n 总线传入c p u 进行处理。根据选 择，可以把处理后的数据存入f l a s h 或者s d 卡中。为了使系统容易调试，设计电 路时采用模块化设计，即核心板电路模块和扩展板模块。核心板为基于s o p c 的最 小系统，包括f p g a 、s d r a m 、s r a m 、f l a s h 和配置芯片。扩展板模块包括高速a d 、 s d 卡、键盘、l c d 接口、u s b 通信等。 为了使制作和调试模块化，本设计电路部分采用核心模块加扩展模块的设计 思想，其中，核心模块包括核心芯片e p 3 c 2 0 、s d r a m 、f l a s h 、e p c s 4 、晶振等组 成的最小系统；扩展模块，主要包括a d 采集、s d 接口、键盘接口、u s b 接口、 液晶接口电路等部分。 核心板p c b 采用6 层结构，这样，可以有效的减小面积，减少外部干扰，使 芯片的最高频率可以工作在2 0 0 m h z 。扩展板采用双面就可以满足要求，这样，节 约了制作成本。 由图可以看出，c y c l o n i i 是系统的核心，各个模块在c y c l o n 控制下协同工 作。由于示波表的带宽与a d 芯片的采样率密切相关，第三章将详细介绍。f l a s h 用来存储s o p c 的程序代码、字库和和波形的采样信息；s d r a m 用来存储n i o s i i 的运算结果和送入l c d 显示的数据；键盘处理部分作为s o p c 的模块，加入q u a r t u s 工程中。 2 2 采样基础理论 自然界的信号大多是模拟信号，首先通过a d m l 转换器将输入的模拟信号转化 为数字信号，即利用采样技术将模拟信号转换为数字信号；利用适当的算法从采 样得到的数据中恢复我们所需要的各种信息。本章主要讨论如何从a d 采样的数 据中恢复出波形显示所需要的信息。 当信号进入示波表之后，首先要进行数字化，即对其进行采样，本节主要讨 论信号采样和波形重建的原理。 4 第2 章总体设计及采样理论 5 匝靶剐隧搽髅l-n匝 成都理l ：人学硕十学位论文 2 2 1 采样原理 数字采样率( 也称取样速率) 是单位时间内对模拟输入信号的取样次数。即： 单位时问内能够进行多少次取样变换，它常用m s s 或s s 表示。著名的奈奎斯特 采样定理告诉我们：对于一个最高频率为f h h z 的时间连续信号x ( t ) 进行采样时， 若采样频率f s 4 1 4f p g a 配置电路 图4 4s d r a m 电路 配置( c o n f i g u r a t i o n ) “7 1 是对f p g a 的内容进行编程的过程。每次上电都需 要进行配置是基于s r a m 工艺f p g a 的一个特点。每次上电后，外部电路需要将配 置数据重新载入f p g a 片内配置r a m 中。在配置完成后，内部的寄存器以及i 0 引 脚进行初始化。等初始化完成后，f p ( ；a 才会按照用户设计的功能正常工作进入用 户模式。这样设计可以保护知识产权，无法同多对f p g a 扫描来破解电路。 根据f p g a 在配置电路中的角色，可以将配置方式分为3 类：f p g a 主动串行 1 9 成都理i ：人学硕+ 学何论文 ( a s ) 方式、f p g a 被动方式和t a g 方式。如图所示，a l t e ra s 为主动串行模 式下载接口。在主动串行方式下，由f p g a 主动输出控制和同步信号给专用的串行 配置：f 5 ：片( e p c s 4 ) ，在串行配置芯片收到命令后，把配置数据发送到f p g a ，完成 配置过程。j t a g 配置方式是通过j t a g 接口下载f p g a 的配置数据。e p 2 c 2 0 f 4 8 4 的 j t a g 是符合i e e e l l 9 1 边界扫面测试规范的标准接口。为了在不使用j t a g 口是 不影响电路工作，可以将t d i 、t m s 通过上拉电阻连接到电源上，而t c k 通过下拉 电阻接地。为了可靠，t d i 和t m s 也应该外接上拉电阻。 c o n f i g e p 2 c 2 0 f 48 4 c8 4 2 扩展板电路设计 4 2 1 前级调理电路设计 v c c v c c v c c 图4 5f p g a 酉己置电路 前级信号处理电路。“如图4 5 所示。此电路的功能是控制两路信号的选通，并 对输入信号的幅值进行处理，是输入的信号幅度达到a d 所要求的范围o 1 2 5 v 。 i c l 、i c 2 ( 0 p a 6 5 0 ) 构成两路输入跟随器。其作用有两个：一是提高输入阻抗； 二是起隔离作用。放大器0 p a 6 5 0 为双电源供电，它的+ 5 v 和一5 v 供电输入端都要 接0 1 u f 和2 2 u f 去耦电容，保证芯片稳定工作，调节反馈电阻的阻值可以改变 放大倍数。i c 3 是双4 选1 集成电路，在这罩只用到了2 路。b a 为地址输入端。 当b a = 0 0 时，选中1 路信号，当b a = 0 1 时选中地2 路信号。b 端始终为低电平故 接地。而a 端由f p g a 控制。i c 5 是8 选l 数据选择器，c b a 为地址码，在f p g a 的 控制下，使地址码改变，从而接通不同的反馈电阻。i c 4 和i c 5 及8 个电阻构成 么t - 一生 电压并联负反馈。其放大倍数为： “ 尺 。i c 6 构成电压反相电路，输出信 第4 章埂1 ；，l ：电路及其驱动设计 号送高速a d 转换器。 垂牛审l 酪 | | | 錾 f 一 甲摩。型” j 肼 。5 vm u l 8 且乩芦6 5 卯 l y l 工1 _ 啦亍 。西 y 2 l p l y 3 + 5 v古由 扎炉嘶5 卯 a d! 。， 嚷譬习丫 了 图4 5 前级调理电路 4 2 2 高速a d 采集电路模块设计 作为模拟系统与数字系统之间的门户，a d 转换器件是示波器系统的关键部 件之一。在系统设计过程中必须根据系统实现目标来选择合适的a d 器件参数， 从而确定具体使用的器件。一般而言，在a d 器件的选择过程中主要需要考虑以 下参数： 1 ) 分辨率：它相应于最低二进制( l s b ) 的模拟量。它规定了a d 转换器能够 区分的模拟量的最小变化值。因为能够满足分辨率的模拟量的值取决于二进制位 数，所以通常采用位数表示分辨率，比如：4 位、8 位、1 2 位等。 2 ) 量化误差：a d 转换器是将连续的模拟量转换成离散的数字量。对一定范 围内的连续变化的模拟量只能反映成同一个数字量。所以存在l 2 l s b 的量化误 差。这个误差是量化过程中不可避免。 3 ) 精度：除了量化误差，还有其他的因素，非线性引起的误差。在手册中， 对这种附加误差的总和，成为不可调误差，实际上就是a d 转换器调整到最精确的 时候还存在的误差。精度指的是量化误差和附加误差之和。 4 ) 转换时间：a d 转换时问”刊是指从发出转换启动命令开始到转换结束获得 整个数字信号的过程所需要的时问。 由于a d 转换器的速率要达到1 0 0 m h z ，选择美国模拟器件公司( a n a l o g ) 的 成都理l ：人学硕j ：学位论文 a d 9 2 8 8 】a d 转换器。a d 9 2 8 8 是一款双通道8 位高速模数转换器，速率可达到 l o o 洲z ，两个a d c 可以独立工作，内部集成了采样保持电路和基准电路。用户只 需提供3 3 v 电源和一个编码时钟，芯片就可以萨常工作，编码器输出位t t l c m o s 兼容的8 位数字信号。 a d 9 2 8 8 具有以下特征： ( 1 ) 双通道，每通道1 0 0 m m p s 的a d 转换速率； ( 2 ) 低功耗，每个通道l o o m m p s 消耗9 0 m w ； ( 3 ) 每个通道有4 7 5 m h z 的模拟带宽； ( 4 ) 每个通道有着1 vp p 的模拟输入范围； ( 5 ) 单一电源3 3 v ( 2 7 3 6 v ) 供电； ( 6 ) 数字采样输出可以为2 的原码或补码格式； ( 7 ) 每通道模拟输入范围是l v p p ； a d 9 2 8 8 是双通道的a d 转换芯片，用户可以同多对s 1 和s 2 的控制来选择a 通道或者b 通道。d f s 为数据格式选择，r e f o u t 为内部基准电压，e n c a 、e n c b 分 别为a 、b 通道的时钟输入端。a d 9 2 8 8 在数字存储示波表中的应用电路如图4 6 所示。 a d 9 2 8 8 的两路的数据线共1 6 位和f p g a 的i 0 口直接相连。r e f o u t 是器件本 身的参考源输出，为1 2 5 v ，通道a 和通道b 的参考源输入r e f i n a 和r e f i n b 直 接与r e f o u t 相接，使用标准的1 2 5 v 作为参考源。用户选择端s 1 、s 2 接到f p g a 的i o 口，可以很方便的选择使用哪个通道或数据并排功能。e n c a 和e n c b 是通 道的时钟输入，采样在时钟的控制下进行工作。a d 9 2 8 8 的供电电源必须稳定性好， 所以在每个电源输入端应放置0 1 u f 的去耦电容。在制作p c b 板时，应大面积覆 铜并接地。模拟地与数字地应分离，最后用磁珠相连。 a d 9 2 8 8 在f p g a 输出时序的控制下，依次采样数据，然后，将数据读入f p g a 。 在n i o s 的控制下，将采样数据依次存入f i f 0 ( f i r s ti nf i r s to u t ) 中。f i f o 的实现方式一般有三中：第一，选择通用的f i f 0 芯片，但是这种方案实现的f i f 0 使用不够灵活；第二：采用通用的双口r a m 扩展为f i f 0 使用，但是，这种方案控 制复杂。第三：采用f p g a 内部内双口r a m 资源设计为f i f 0 。这种方法设计灵活， 易于修改，由于没有增加芯片数量，所以有助于降低功耗。 第4 章硬件电路及其驱动没计 j p l l _-_ ， - l c o n l j p l 2 l c o n 2 g n d a - r i a o ，4 0 0 吃 a d 9 2 鼯 l 拿弓苔墨苔苫答笛石833 v n c n c a i n ag n d 图4 6a d 9 2 8 8 应用电路图 0l u f 4 2 3 串行通信电路模块 图4 7a d 9 2 8 8 时序控制图 r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a 制定的一种串行物理接口标准。由于r s 一2 3 2 的逻辑“0 ”电平规定为+ 5 v 一+ 1 5 v ，逻辑“1 ”规定为一1 5 v 一一5 v ，因此必须与t t l 电平进行转换。电路图如4 8 所示。 2 3 成都理i ：人学硕+ 学位论文 图4 8m a x 2 3 2 接口电路 m a x 2 3 2 芯片是美国m a x i m 公司的r s 一2 3 2 c 电平转换芯片，包含两路接收器 和驱动器。器件对电源噪声很敏感，因此必须在电源接入点加上去耦电容，图中 的电容在做p c b 时应尽量靠近相应的管脚，这样可以有效提高抗干扰能力。 s o p cb u i l d e r 中提供一个u a r t 的i pc o r e ，这个u a r tc o r e 可以与n i o s c p u 相连。i pc o r e 为用户提供了开发包，在开发包中预定义了一些关于u a r t 的数据 结构和常用的函数。其结构体如表所示。它们都在e x c a l i b u r h 头文件中定义。 表4 1n i o su a r t 软件数据结构 数据结构定义注释 t y p e d e fv 0 1 a t i1 es t r u c t in tn p u a r r x d a t a ：只读，8 位 in tn p u a r t x d a t a ：f 赐。毽疑。 i n tn p u a r t s t a t u s ： 只读，9 位 i n tn p u a r t c o n t r 0 1 ： 可读可写，9 位 i n tn p u a r t d i v i s o r ： 可读可写，1 6 位，可选参数 in tn p u a r t e n d o f p a c k e t ： 可读可写，封装包末尾字符 u p _ u a r t ： 在s o p cb u i l d e r 的s d k 中提供了一些常用的子程序。由于本设计与p c 机通 信时把采集的数据当作1 6 进制数发送，所以，只用到n ru a r tr x c h a r 和 n ru a n t x c h a r 函数，其调用格式如下。 i n tn r u a n r x c h a r ( n p _ u a r t 水u a r t b a s e ) ：该函数是从参数u a r t b a s e 指定的 串口中读取一个字符。其中，u a r t b a s e 在s y s t e m h 中被预定义了。 i n tn r u a r t t x c h a r ( i n tc ，n p u a r t 术u a r t b a s e ) ：该函娄i 【向参数u a r t b a s e 2 4 第4 章便什电路及其驱动设计 指定的串口发送一个字符。由于发送时使用的字符格式，数据传到p c 端时，p c 机需要把数据转换为1 6 进制数，并显示出波形，本设计没有涉及到上位机编程。 为了保证能和电脑通信f 确，本设计规定了通信时传送的数据格式和顺序。 本设计使用的通信协议是：波特率为1 1 5 2 0 0 b s ，不使用奇偶校验，8 位数据位， l 位停止位。数据发送的顺序位：先传通道l 的数据，再传通道2 的数据。每个 通道的数据均以波形数据在前，对应通道频率、周期、峰峰值、平均值等数据在 后。在通道数据传送完后，以一个字节的“0 ”作为结束字符。每个通道的数据为 5 1 2 字节，这也是和波形在s d 卡和f l a s h 中存储的顺序是一样的。所以，在传送 时，只需把s d 卡中的数据顺序读出并传送即可。 4 2 4u s b 通信电路模块 u s b 接口电路如图4 9 所示。采用f t 2 4 5 b m 芯片，其兼容u s b 2 o 和u s b l 1 规范。另外，芯片还具有e e r o m 功能，选用此芯片可以节约成本。电路中c 5 l 和 c 5 2 必须分别为6 8 p f 和2 2 p f ，否则可能造成芯片工作时钟不正常。注意d + 和d 一 必须串联磁珠，来抑制信号线高频噪声和尖峰干扰，吸收静电脉冲。u s b 通信作为 扩展功能，本设计暂没有实现。 + 5 v 翱 婆婆詈 u 2 7 弓揣? 豢至翌 塞磅_ 雠： 誊玉玉； m 4 5 8 训 图4 9u s b 芯片在电路中的应用 4 2 5s d 卡存储电路模块设计 s d 卡陀可以采用s d 总线访问，也可以采用s p i 总线访问。由于a 1 t e r a 公司 ：ll渺。o z o 成都理i ：人学硕十学位论文 提供的i p 核中有s p i 接口而没有s d 总线接口，所以直接使用s p i 接口与其相连。 s d 卡在系统中的应用如4 1 0 图所示。s p i 接口的s p i - m o s i 、s p i c l k 和s p i m i s 0 直接连接到卡座的相应接口，其中s p i m o s i 、s p i m i s o 还分别接上拉电阻。为了 防l ts d 卡进入不确定状态时可以通过对卡重新上电使卡复位，卡的供电采用可控 方式。可控电路采用p 型m o s 管，由s d p o w e r 进行控制。m o s 管的漏、源极之问 的压降足够小，管子允许通过的电流要大于s d 卡工作时的最大电流( 4 5 m a ) 。 图4 1 0s d 卡接口电路 4 2 6s d 卡驱动设计 s d 卡是一种大容量( 最大可达4 g b ) 、性价比高、体积小、低功耗、非易失性、 保存数据无需消耗能量等特点得到广泛的应用。在本设 计中，示波表采集的数据可以存储在s d 卡中，以便与其 它仪器进行数据交换。 s d 卡的外形和接口触点如图4 1 1 所示。s d 卡的管 脚名称及功能如表4 2 所示。其中s d 卡的外形尺寸为： 2 4 m mx3 2 姗x2 1 咖( 普通) 或2 4 mx3 2 姗x1 4 唧 ( 薄s d 存储卡) 。 2 6 图4 1 1s d 卡的管脚定义 第4 章使1 i ，l ：电路及其驱动设计 表4 2s d 卡各触点的名称及作用 引脚名称描述 1c s片选( 低电平有效) ，接f p g a 普通i 0 口 2 d i s p i 土机输入，从机输山信号 3 v s s 电源地 4v d d电源 5s c l k s p i 时钟信号，有主机发出，川丁同步主机之间数据传输 6v s s 2 电源地 7d 0 s p i 土机数据输山，从机输入信号 8r s v 9r s v s p i 总线以字节为单位进行数据传输，所有数据令牌都是字节( 8 位) 的倍 数，而且字节通常与c s 信号对齐。软件包的文件组成如表4 3 所示。 表4 3s d 卡读写软件包包含的文件 文件作用 s d c o n f i g h 软件包硬件配置头文件 软什包硬件抽象层，实现s p i 接口初始化，s p i 字1 ，的收、发 s d h a l c 等与s p i 硬件相关的函数 s d h a l h s d h a l c 头文件 s d c m d c 软件包命令层，实现r 的各种命令以及主机与 之间的数据流控制 s d c m d h s d c m d c 头文件 软件包应用层，实现 的读、写、擦a p i 函数，该文1 i ，l ：还包含一些 s d d r i v e r c 矗操作函数 s d d r i v e r h s d d r i v e r c 头文件，包括函数执行错误代码 s d c r c c 相关的c r c 运算函数。 s d c r c h s d c r c h 头文件 该软件包具有很好的可移植性及易! 一一k 一 用性。软件包分为3 层，如图5 所示。l 孬! 图中的实时操作系统并不是必须的，也i 警卜一 就是说，本软件包既可以应用于前后台i 系i 系统( 无实时操作系统) ，也可以应用：“； 于实时操作系统中，本软件包提供在前 图4 1 2s d m m c 卡读写软件包结构图 成都理i ：人学硕十学位论文 后台系统和实时操作系统此o s i i 中接口统一的a p i 函数。是否使用实时操作系 统由本软件包s d c o n f i g h 文件中的宏定义s d u c o s i i e n 来使能或禁止。各层的 特点如下： 1 ) 硬件抽象层：读写s d m m c 卡的硬件条件配置，与硬件相关的函数； 2 ) 命令层：s d m m c 卡的相关命令以及卡与主机之间数据流的控制，这一层 与实时操作系统相关，与硬件无关； 3 ) 应用层：向用户应用程序或文件系统提供操作卡的a p i 函数，这一层由 实时操作系统控制。 s d 软件包的配置只与s d c o n f i g h 文件相关，配置头文件s d c o n f i g h 使用 户能方便地配置本软件包的相关功能及裁剪某些对用户来说无需用到的函数。该 小节提到的所有程序清单都在该文件上。下面阐述该头文件的配置方法。 软件包的参数配置如程序清单l 所示，配置选项如下： 1 ) 是否运行于此0 s i i 中。本软件包既可以运行于前后台系统中，又可以 运行于实时操作系统屺o s i i 中。当运行于此o s i i 中时，宏定义s d u c o s 工i e n 的值应置为l ，否则应置为0 。 2 ) c r c 校验。由于s d m m c 卡在s p i 通信模式下可以不需要进行数据传输的 c r c 校验，该宏用于使能或禁止本z l g s d 软件包的数据传输c r c 校验功能。使 能c r c 校验则通信可靠性更高，但c r c 运算也带来传输速度的一些损失，由于本 软件包采用查表的方法计算c r c l 6 ，所以速度只是略有损失。 3 ) s p i 时钟频率。定义s p i 总线的c l k 线的频率，该频率值用于计算读、 写、擦操作中的超时时间对应的c l k 个数，这样就将超时时问转换为超时计数。 该频率值的单位为：h z ，该值需要用户定义，定义的方法见下面介绍( 4 设置 s p i 接口的时钟频率小于4 0 0 k h z ) 。 4 ) s d 卡块的长度。定义s d m m c 卡块的最大长度，当今流行的s d 删c 卡块 的最大长度大部分都支持5 1 2 字节。宏定义s d b l o c k s i z e n b i t s 值为9 ，对应 于2 9 = 5 1 2 字节( 对应于宏定义s d b l o c k s i z e 的值) ，s d b l o c k s i z e n b i t s 与 s d b l o c k s i z e 一定要有这样的对应关系。s d b l o c k s i z e n b i t s 参数用于固件程 序数据计算的方便。用户一般无须改动这两个宏定义的值。 5 ) 设置s p i 接口的时钟频率为4 0 0 k h z 由于a l t e r a 提供的s p i 核定义s p i 总线的时钟频率为4 0 0 k h z ，我们不能通 过软件修改时钟频率，所以，本设计中总线时钟频率采用4 0 0 k h z ，在s d c o n f i g h 中定义。 # d e f in es p i c l o c k4 0 0 0 0 04 0 0 k h z 本设计中用到的主要a p i 函数有： 第4 章便1 j ，i ：电路及其驱动设计 s d i n i t i a l i z e ( ) ，s d r e a d b l o c k ( ) ，s d w r i t e b l o c k ( ) 根据s o p c 系统，配置s d 卡驱动程序中与硬件相关的部分。修改s d c o n f i g h 文件中s d - i n t 、s d p 0 w 和s d w p 三个引脚相关的p i o 核的基地址。修改 a v a l o n s p i h 中s d c s 引脚的基地址和s p i 内核基地址。 使用s d 卡时，必须先对其初始化，然后，调用s d 卡软件包的按块读写函数。 注意，对s d 卡的操作是按块操作的，每块的大小可以定义，本设计中，定义块的 大小为5 1 2 字节。数据采集后，同时写入s d 卡。驱动完成后，我们在n i o si d e 中，就可以直接使用这些函数了。 4 2 7 液晶显示电路模块 人机界面是用户与仪器互相传递信息的媒介，是信息的输入和输出的通道。 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