基于FPGA的示波器圖文顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案

　　0 引言

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，可以取代現(xiàn)行所有的全部微機接口芯片，實現(xiàn)微機系統(tǒng)中的存儲、地址譯碼等多種功能。利用 FPGA可以把多個微機系統(tǒng)的功能電路集成在一塊芯片上。應(yīng)用FPGA設(shè)計功能電路時，可以讓人們的思路從傳統(tǒng)的以單片機或DSP芯片為核心的系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)向單一專用芯片型設(shè)計。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)字存儲采集器就應(yīng)運而生，它采用了LCD顯示、高速A／D采集與轉(zhuǎn)換、ASIC芯片等新技術(shù)，具有很強的實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)計讀寫

　　根據(jù)設(shè)計要求：在示波器上顯示2個以上字符或圖案，如顯示0-9十個數(shù)字及英文字符、圖象等，結(jié)合示波器顯示原理，設(shè)計電路如圖1所示。將要顯示的數(shù)字或符號進行取模，得到其二進制形式表示。將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)部RAM存儲。

　　在設(shè)計上我們使用了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)D／A轉(zhuǎn)換，對FPGA芯片輸出二進制數(shù)字量進行數(shù)一模轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過高速運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，在屏幕上打點顯示數(shù)字(或者圖形)。而Z通道作為另一路獨立通道，對顯示的數(shù)字亮度進行可控顯示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2．1 總體控制模塊

　　基于本設(shè)計，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)品中的高性價比產(chǎn)品的代表，而Spartan-Ⅲ系列FPGA是為那些需要大容量、低價格電子應(yīng)用的用戶而設(shè)計的。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個邏輯單元；

　　●系統(tǒng)門密度200 k個；

　　●CLB陣列24*20，共480個；

　　●最大用戶I／O173，最大差分I／O76；

　　●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 存儲單元模塊

　　由于FPGA基于CMOS SRAM工藝，不具備掉電保護功能，當(dāng)無電源供電時，配置的數(shù)據(jù)丟失，芯片的功能也隨之丟失。因此，本設(shè)計采用FLASH存儲器在線重配置的方法。

　　2．3 外圍電路模塊

　　2．3．1 D／A轉(zhuǎn)換

　　在D／A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(建立時間1 us)、電流型、價格低廉等特點。它有單緩沖工作方式、雙緩沖工作方式兩種工作方式。單緩沖工作方式時，一個寄存器工作于直通狀態(tài)，一個工作于受控鎖存器狀態(tài)。在不要求多相D／A同時輸出時，可以采用單緩沖方式，此時只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高D／A的數(shù)據(jù)吞吐量。雙緩沖工作方式時，兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。當(dāng)要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。

　　它的技術(shù)參數(shù)為：建立時間1 us；8位并行；低功率損耗20 mW；支持電壓：5 V～15 V。

　　2．3．2 運算放大

　　在D／A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，因此運用運算放大器來進行轉(zhuǎn)換，同時將運放設(shè)計為可調(diào)形式，通過調(diào)節(jié)它便可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，達到控制顯示幅值的目的。本設(shè)計采用LM741系列運放，其技術(shù)指標(biāo)加下：

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　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)計在FPGA編程上采用了VHDL語言實現(xiàn)?？傮w設(shè)計思路：采用50 MHz外部時鐘控制對FPGA內(nèi)部進行分頻控制，在分頻模塊的作用下得到設(shè)計所需要的時鐘信號。通過按鍵選通在ROM內(nèi)部選擇要顯示的模塊部分，進行X、 Y方向掃描，得到初步的數(shù)據(jù)，同時外加Z方向掃描來控制所顯圖形的亮度。通過將所有的“1”存儲在一個ROM中作為緩存，達到消除零點的目的。將ROM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RAM中，通過乒乓交換操作來進行模式轉(zhuǎn)換，最后通過外圍電路輸入示波器，實現(xiàn)顯示?？傮w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)計思路和設(shè)計方案。此系統(tǒng)設(shè)計完成后，測試表明系統(tǒng)可以將相應(yīng)的圖形文字顯示出來，顯示的圖形和文字與預(yù)期的基本一致。該設(shè)計滿足了系統(tǒng)的需要，更重要的是具有很強的靈活性和可控性，同時使顯示更加高速度快捷，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。