基于FPGA控制VGA顯示的多通道數(shù)字示波器的設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)對0～1 MHz的信號進行測量以及顯示的目的，制作了基于SOPC技術(shù)的VGA顯示數(shù)字存儲示波器。采用硬件與軟件相配合的設(shè)計方法，主要模塊有基于FPGA的最小系統(tǒng)模塊、信號調(diào)理電路模塊、AD采樣模塊、觸發(fā)電路模塊、VGA顯示模塊、4×4矩陣鍵盤模塊和RAM存儲以及FLASH存儲模塊。具有模擬信號可進行任意電平觸發(fā)、數(shù)字信號可使用上升沿和下降沿觸發(fā)、存儲回放、垂直靈敏度檔位設(shè)置、掃描速度檔位設(shè)置、VGA顯示多個界面等特點。通過波形測量實驗，得到較好的顯示波形。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字示波器；A／D采樣；VGA顯示

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對信號的測量技術(shù)要求越來越高，示波器的使用越來越廣泛。模擬示波器使用前需要進行校正，使用比較麻煩；而數(shù)字示波器，由于受核心控制芯片的影響，對輸入信號的頻率有嚴格的限制。基于FPGA的數(shù)字示波器，其核心芯片可達到50萬門，配合高速外圍電路，可以測量頻率為1 MHz的信號，有效地克服了以往示波器的不足。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    設(shè)計的數(shù)字示波器系統(tǒng)主要使用了Xilinx系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并在此環(huán)境內(nèi)部建立了AD采樣控制模塊、鍵盤控制模塊、VGA顯示模塊等多個模塊，從很大程度上減少了硬件電路的搭建，也因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    另外，設(shè)計使用XPS將32位的MicroBlaze微處理器嵌入到了FPGA中，實現(xiàn)了可編程片的嵌入以及在可編程片上的系統(tǒng)設(shè)計。MieroBlaze通過LBM總線訪問片上的存儲模塊BlockRAM，然后通過OPB總線上掛接外設(shè)進行接口連接和驅(qū)動。
    VGA顯示部分采用雙緩沖機制進行工作，在FPGA內(nèi)部建立RAM，按照一定時序降RAM內(nèi)的緩存數(shù)據(jù)映射到VGA顯示屏上。

2 硬件設(shè)計
2．1 信號調(diào)理電路模塊
    信號調(diào)理電路模塊，對輸入的模擬信號進行處理，由于輸入電壓幅度為-2．5～+2．5 V之間，而后一級的AD模塊采用了12位的高速A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS804，只能對0～2 V的電壓進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，故需要將輸入電壓先抬升為0～5 V，在應用運算放大器進行比例縮小，達到0～2 V的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換模塊采用存儲采樣數(shù)據(jù)的并行數(shù)據(jù)處理方法，這樣可以使硬件電路得到最大程度的簡化，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AD部分的采樣，選用實時采樣技術(shù)。能夠捕獲到單個信號。采樣速率為10 MHz，即在最高頻率1 MHz時，實時采樣可以在每周期采10個點以保證取到一個完整的信號波形。
2．3 觸發(fā)電路模塊
    觸發(fā)電路模塊屬于外觸發(fā)，對模擬信號實現(xiàn)任意電平觸發(fā)，該模塊采用電壓比較器來實現(xiàn)單次觸發(fā)。
2．4 存儲模塊
    存儲模塊包括內(nèi)存儲和外存儲兩部分，使用外部電路進行搭建的為外存儲，內(nèi)存儲在軟件部分進行說明。
    外部非易失性存儲器模塊采用存儲容量為16 KB的E2PROM芯片24C128，該芯片作為手動存儲的存儲介質(zhì)，從而實現(xiàn)掉電不丟失的設(shè)計目的。
2．5 VGA顯示模塊
    VGA顯示模塊是建于FPGA內(nèi)的雙緩沖機制，由嵌入的MicroBlaze軟核進行控制，能夠進行多個頁面間的切換。另外，每個界面，可以實現(xiàn)中文信息、彩色通道和所測輸入波形的顯示，并可控制顯示內(nèi)容的顯示顏色。
2．6 鍵盤模塊
    4×4矩陣鍵盤模塊實現(xiàn)人機交互。
    通過鍵盤，可以對示波器的數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移等功能進行選擇。

3 基于FPGA的軟件設(shè)計
    FPGA的硬件主要包括：觸發(fā)電路模塊、數(shù)字信號發(fā)生模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、VGA顯示模塊等5個部分，軟件流程圖如圖2所示。

3．1 觸發(fā)電路程序
    AD采樣啟動后，將從AD進來的數(shù)據(jù)與觸發(fā)字進行比較，當滿足設(shè)定條件時，會產(chǎn)生觸發(fā)信號，此信號送到RAM控制器端。通過對外部觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)信號與內(nèi)部的兩路數(shù)字信號進行觸發(fā)的選擇后，RAM控制器得到觸發(fā)后將采樣數(shù)據(jù)寫入到RAM中。當RAM在進行寫數(shù)據(jù)過程中觸發(fā)信號是被抑制的；當RAM達到預觸發(fā)深度時，釋放觸發(fā)信號，等待下一次觸發(fā)的到來。
3．2 數(shù)竽信號發(fā)生程序
    利用DDS的原理，在FPGA內(nèi)部生成一個信號發(fā)生器。主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和比較器3部分。具體做法為：使用一個表示信號平均值的數(shù)據(jù)與AD采樣得來的數(shù)據(jù)進行比較得到同頻同相的A路信號，再經(jīng)由A信號觸發(fā)計數(shù)器，經(jīng)過合理設(shè)置計數(shù)脈沖，得到有45°延時，占空比25％的B路信號。最后對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度輸出。
    表示信號平均值的數(shù)據(jù)由MicroBlaze測量信號提供。
3．3 存儲程序
    存儲模塊分RAM存儲和FLASH存儲RAM存儲使用一個雙口RAM，寫和讀分開，波形數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時送進RAM，存儲了1 024個點，其中前560組送住VGA顯示。
    FLASH存儲完成掉電不丟失的存儲目的。20世紀使用開發(fā)板上的一塊型號為AM29LV160DB的FLASH存儲器，當按下存儲健后，F(xiàn)LASH把RAM中的數(shù)據(jù)寫到FLASH中，根據(jù)資料中的讀寫時序圖，使用狀態(tài)機實現(xiàn)這個過程，當按下回顯的按鍵時將FLASH中的數(shù)據(jù)讀回圖像顯示RAM，再顯示出來。
3．4 鍵盤程序
    鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，使用FPGA進行掃描控制，實現(xiàn)人機交互。
    鍵盤子程序主要包括數(shù)字通道、模擬通道、混合通道、存儲、回放、波形左移、波形右移、垂直靈敏度檔位設(shè)置，掃描速度檔位設(shè)置等功能與按鍵的對應。
3．4．1 顯示分辨率分析
    垂直方向劃分為10 div，設(shè)置3檔垂直靈敏度：1 000 mV／div，100 mV／div和10 V／div，即每div可代表1 000 mV，100 mV和10 mV。
    A／D轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號輸入端的輸入信號電壓為0～2 V，當示波器滿刻度顯示時，被測信號的幅度將分別為：V11=1 V／div×10 div=10 V，V12=0．1 V／div×10 div=1 V，V13=10 mv／div×10 div=100 mV。A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=2 V，程控放大器電路的增益AN=Vmax／VIn，其中N=1，2，3，對應于3檔不同垂直靈敏度的增益分別為：A1=2／10=0．2；A2=2／1=2；A3=2／0．1=20。
    A／D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入值為Vmax=5 V<10 V，將AD采樣的值和數(shù)字信號的值據(jù)當前檔位進行計數(shù)存儲，即1μs／div時每10個點保存一個，1 ms，／div時每10 000個點保存一個，1 s／div時每采樣10 000 000個點保存一個。
3．4．2 掃描速率分析
    A／D的轉(zhuǎn)換速率取決于被測信號的頻率范圍，或DSO對掃描速度的要求，設(shè)計掃描速度含1 ms／div，1μs，／div，1 s／div三檔，通過FPGA內(nèi)部建立分頻電路實現(xiàn)了最高采樣率16 MS／s，每10倍頻步進，共六檔，增加了該示波器的實用性。水平顯示分辨率為64點／div，以保證顯示波形清晰穩(wěn)定。
3．5 VGA顯示部分
    VGA顯示模塊使用雙緩沖機制，軟核MicroBlaze通過讀寫顯存來控制VGA顯示。VGA顯示可顯示3種顏色，利用了SOPC的優(yōu)勢。GRAM位寬32b，大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn與GRAM對內(nèi)嵌的MCU設(shè)計成為BlackBox，MCU只需向相應地址發(fā)送合適數(shù)據(jù)即可顯示想要的波形。本設(shè)計主要實現(xiàn)了的顯示為：底色，漢字，示波器的顯示框，波形數(shù)據(jù)。通過取字摸的方式，可在顯示屏上顯示中文信息。當部分的數(shù)據(jù)進行綜合時，這幾部分的數(shù)據(jù)各自有不同的優(yōu)先級，當多部分重疊時，根據(jù)優(yōu)先級顯示出來。

4 總體效果
    圖3為同時顯示2個數(shù)字通道和1個模擬通道的界面，通道1(CH1)為模擬通道，通道2(CH2)和通道3(CH3)為數(shù)字通道，輸入信號為一正弦波，峰一峰值為1．2 V，通道2，設(shè)定輸入信號信號電壓大于0為高電平，反之為低電平，故通道2為占空比為50％的矩形波。通道3設(shè)定輸入信號大于3．3 V為高電平，反之為低電平，故在本圖上通道3為占空比約為25％的矩形波。由圖可知觀察值與計算值相符。

5 結(jié)語
    設(shè)計實現(xiàn)了一款基于FPGA的VGA顯示的多通道數(shù)字存儲示波器。FPGA的高速性比其他控制芯片更適合于高速數(shù)據(jù)的采集和處理，另外FPGA內(nèi)部存儲模塊在完成輸入信號的量化存儲速度上有著外接RAM無法比擬的優(yōu)勢。通過測試，設(shè)計系統(tǒng)比較好地完成了各項設(shè)計要求。