FPGA的示波器圖文顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 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)場可編程門陣列是大規(guī)模可編程邏輯器件，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AD采

2、集與轉(zhuǎn)換、ASIC芯片等新技術(shù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的市場潛力，也代表了當(dāng)代電子測量儀器的一種發(fā)展趨勢，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)字或符號開展取模，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)DA轉(zhuǎn)換，對FPGA芯片輸出二進(jìn)制數(shù)字量開展數(shù)一模轉(zhuǎn)換，

3、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，對顯示的數(shù)字亮度開展可控顯示。 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-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48

4、0個(gè)； 用戶IO173，差分IO76； 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。 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 DA轉(zhuǎn)換 在DA選擇上，我們用的是美國半導(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。

5、單緩沖工作方式時(shí)，一個(gè)存放器工作于直通狀態(tài)，一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)。在不要求多相DA同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，此時(shí)只需寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高DA的數(shù)據(jù)吞吐量。雙緩沖工作方式時(shí)，兩個(gè)存放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 V15 V。 2.3.2 運(yùn)算放大 在DA轉(zhuǎn)換之后，我們得到的是電流信號，而需要輸入示波器的為電壓信號，因此運(yùn)用運(yùn)算放大器來開展轉(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，到達(dá)控制顯示幅值的目的。本設(shè)計(jì)采用LM741系列運(yùn)

6、放，其技術(shù)指標(biāo)加下： 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 基于VHDL語言的功能與靈活性，非依賴性和可移植性種種優(yōu)勢，本設(shè)計(jì)在FPGA編程上采用了VHDL語言實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)思路：采用50 MHz外部時(shí)鐘控制對FPGA內(nèi)部開展分頻控制，在分頻模塊的作用下得到設(shè)計(jì)所需要的時(shí)鐘信號。通過按鍵選通在ROM內(nèi)部選擇要顯示的模塊部分，開展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，到達(dá)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開展模式轉(zhuǎn)換，通過外圍電路輸入示波器，實(shí)現(xiàn)顯示。總體流程圖： 4 結(jié)語 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