基于SOPC技術(shù)的虛擬示波器設(shè)計(jì)

　　2　虛擬示波器SOPC系統(tǒng)構(gòu)建及NiosⅡ軟件開(kāi)發(fā)

　　2.1　虛擬示波器SOPC系統(tǒng)構(gòu)建

　　本文采用ALTERA公司的NiosⅡ軟核處理器，并利用FPGA設(shè)計(jì)虛擬示波器系統(tǒng)。ALTERA 公司的NiosⅡ軟核處理器是一個(gè)32位RISC嵌入式處理器，具有5級(jí)流水線、采用數(shù)據(jù)和指令分離的Harvard結(jié)構(gòu)、提供眾多標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　進(jìn)行基于Nios Ⅱ 的SOPC 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，可利用ALTERA提供的SOPC插件，進(jìn)行外設(shè)和CPU的配置，并提供自定義IP的構(gòu)建方法。在虛擬示波器系統(tǒng)中，需要開(kāi)發(fā)符合AVALON總線的示波器模塊，并加入到自定義IP中。示波器模塊實(shí)體程序如下：

　　在SOPC插件中，將示波器模塊等自定義模塊集成為IP核，分別將NiosⅡJTAG＿UART、FLASH以及SRAM等IP核加入虛擬示波器系統(tǒng)中，SOPC系統(tǒng)配置圖如圖5所示。

　　配置完成后，生成系統(tǒng)，并在QuartusⅡ中進(jìn)行引腳配置，然后綜合、布線，生成配置文件，通過(guò)JTAG 對(duì)FPGA進(jìn)行配置，即可獲得虛擬示波器系統(tǒng)的信息處理部分硬件電路。

　　2.2　NiosⅡ軟件開(kāi)發(fā)

　　實(shí)踐證明，當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度達(dá)到一定時(shí)，采用嵌入式操作系統(tǒng)不僅會(huì)簡(jiǎn)化程序員工作、提高CPU利用率，而且會(huì)提高系統(tǒng)可靠性。因此本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)。microc/os-Ⅱ是1個(gè)性能優(yōu)良的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，穩(wěn)定度高、安全性好；同時(shí)NiosⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境中集成了性能良好的、免費(fèi)的microc/os－Ⅱ估算版，因此虛擬示波器系統(tǒng)采用該操作系統(tǒng)。

　　NiosⅡ的軟件開(kāi)發(fā)一般采用分層的方式進(jìn)行，它采用類(lèi)似Linux的設(shè)備文件系統(tǒng)來(lái)管理設(shè)備，采用HAL（硬件抽象層）完成硬件相關(guān)設(shè)備的封裝操作，因此每個(gè)CPU外設(shè)都需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。虛擬示波器系統(tǒng)中，NiosⅡ的驅(qū)動(dòng)分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　虛擬示波器系統(tǒng)需要為定義的IP設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于最底層與硬件相關(guān)的操作，NiosⅡ提供了IOWR（base，offerset，data）和IORD（base，offerset）2個(gè)宏，分別用于對(duì)寄存器的讀、寫(xiě)操作。這里，base為虛擬示波器驅(qū)動(dòng)程序的基地址，其自動(dòng)生成；offerset為指被操作的寄存器在該設(shè)備中的偏移地址。

　　2.3 嵌入式USB協(xié)議棧開(kāi)發(fā)

　　USB協(xié)議復(fù)雜，虛擬示波器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的USB協(xié)議棧基于microc/os－Ⅱ，并采用了如圖7的分層結(jié)構(gòu)，以減少開(kāi)發(fā)調(diào)試的難度。

　　硬件抽象層和命令接口層都與硬件相關(guān)，硬件抽象層負(fù)責(zé)對(duì)SX2的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而命令接口則實(shí)現(xiàn)與SX2的工作方式有關(guān)的操作；協(xié)議層與平臺(tái)無(wú)關(guān)，其主要完成USB的枚舉及各端口數(shù)據(jù)處理；應(yīng)用層完成對(duì)提供調(diào)用的函數(shù)進(jìn)行封裝，應(yīng)用層提供了簡(jiǎn)單的API接口，其利用senddata函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，同時(shí)利用recdata函數(shù)從主機(jī)接收數(shù)據(jù)以及廠商請(qǐng)求的函數(shù)，上層程序只要簡(jiǎn)單地調(diào)試這3個(gè)函數(shù)而無(wú)需關(guān)注USB協(xié)議，即可完成虛擬示波器的USB通信。