基于SOPC技術的虛擬示波器設計 (1)
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引言
模擬示波器由于無法高效地觀察實驗結果、數據處理功能弱等缺點，已逐漸被數字示波器所取代，但數字示波器價格昂貴。虛擬儀器是在通用計算機平臺上，用戶利用軟件根據自已的需求定義設計儀器的測量功能，其可以大大拓展傳統儀器的功能，降低儀器成本，并可通過軟件實現數據的復雜分析、運算和海量存儲等功能。LabWindows/CVI是1種常用的虛擬儀器設計軟件，為用戶提供了功能強大的虛擬儀器系統開發(fā)平臺。為此，本文以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，利用FPGA中嵌入的NiosⅡ軟核構成的SOPC系統，設計一種雙通道虛擬示波器，以達到一般傳統示波器的性能指標。
1 虛擬示波器硬件電路設計
1.1 虛擬示波器數據采集通道電路設計
為減少虛擬示波器對被測電路的影響，要求虛擬示波器數據采集通道的輸入阻抗在1MΩ以上，因此必須設計合適的衰減器和可控增益的放大器。虛擬示波器數據采集通道的原理方框圖如圖1所示。圖1中，虛擬示波器的2個通道完全對稱，且相互獨立。從探頭進來的信號經過衰減網絡，獲得合適的信號強度，進行AD/DC切換開關后，送到可控增益放大器，將不同幅度的信號放大為幅度大致相同的信號，經高速A/D轉換獲得兩路獨立的數字信號，同時觸發(fā)電路完成觸發(fā)功能，使波形能夠平穩(wěn)地顯示。
1.1.1 衰減與AD/DC轉換電路
圖2為虛擬示波器的衰減與AD/DC轉換電路圖。
1.1.2 可控增益放大器
虛擬示波器需設計寬范圍可調節(jié)的增益放大電路器，以實現10mV～±200V范圍內的輸入電壓采樣。本系統采用模擬多路器切換運放的反饋電阻，以達到改變增益的目的，其電路圖如圖3所示。
圖3中，U1內部包含兩通道JFET高輸入阻抗的運放，前級為跟隨器，以滿足示波器的高輸入阻抗要求，第2級為可控增益放大器，由模擬多路器和運放共同構成。
1.1.3 A/D轉換電路
虛擬示波器的A/D 轉換器采用Linear 公司的LTC2289，它的采樣頻率可達80MHz，有2個獨立通道，可選內部參考或外部參考。本文選用內部參考。
1.2 虛擬示波器信息處理部分硬件設計
虛擬示波器信息處理部分主要包括FPGA 系統和USB通信部分，其組成方框圖如圖4所示。
系統選擇的USB接口芯片CY7C68001為USB2.0標準控制器，其可工作在高速或全速狀態(tài)，支持4個可配置共享4KB FIFO空間的端點，并具有一個標準8位或16位主機接口，非常適合做高速USB接口。虛擬示波器SOPC系統構建及NiosⅡ軟件開發(fā)
2 虛擬示波器SOPC系統構建及NiosⅡ軟件開發(fā)
2.1 虛擬示波器SOPC系統構建
本文采用ALTERA公司的NiosⅡ軟核處理器，并利用FPGA設計虛擬示波器系統。ALTERA 公司的NiosⅡ軟核處理器是一個32位RISC嵌入式處理器，具有5級流水線、采用數據和指令分離的Harvard結構、提供眾多標準外設和軟件集成開發(fā)環(huán)境。
進行基于Nios Ⅱ 的SOPC 系統開發(fā)時，可利用ALTERA提供的SOPC插件，進行外設和CPU的配置，并提供自定義IP的構建方法。在虛擬示波器系統中，需要開發(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中，SOPC系統配置圖如圖5所示。
配置完成后，生成系統，并在QuartusⅡ中進行引腳配置，然后綜合、布線，生成配置文件，通過JTAG 對FPGA進行配置，即可獲得虛擬示波器系統的信息處理部分硬件電路。
2.2 NiosⅡ軟件開發(fā)
實踐證明，當系統的復雜程度達到一定時，采用嵌入式操作系統不僅會簡化程序員工作、提高CPU利用率，而且會提高系統可靠性。因此本系統的下位機軟件采用嵌入式操作系統。microc/os-Ⅱ是1個性能優(yōu)良的嵌入式多任務實時操作系統，穩(wěn)定度高、安全性好；同時NiosⅡ開發(fā)環(huán)境中集成了性能良好的、免費的microc/os－Ⅱ估算版，因此虛擬示波器系統采用該操作系統。
NiosⅡ的軟件開發(fā)一般采用分層的方式進行，它采用類似Linux的設備文件系統來管理設備，采用HAL（硬件抽象層）完成硬件相關設備的封裝操作，因此每個CPU外設都需要有相應的驅動程序。虛擬示波器系統中，NiosⅡ的驅動分層結構如圖6所示。
虛擬示波器系統需要為定義的IP設計相應的驅動程序，對于最底層與硬件相關的操作，NiosⅡ提供了IOWR（base，offerset，data）和IORD（base，offerset）2個宏，分別用于對寄存器的讀、寫操作。這里，base為虛擬示波器驅動程序的基地址，其自動生成；offerset為指被操作的寄存器在該設備中的偏移地址。
2.3 嵌入式USB協議棧開發(fā)
USB協議復雜，虛擬示波器系統開發(fā)的USB協議棧基于microc/os－Ⅱ，并采用了如圖7的分層結構，以減少開發(fā)調試的難度。
硬件抽象層和命令接口層都與硬件相關，硬件抽象層負責對SX2的寄存器進行讀寫操作，而命令接口則實現與SX2的工作方式有關的操作；協議層與平臺無關，其主要完成USB的枚舉及各端口數據處理；應用層完成對提供調用的函數進行封裝，應用層提供了簡單的API接口，其利用senddata函數發(fā)送數據到主機，同時利用recdata函數從主機接收數據以及廠商請求的函數，上層程序只要簡單地調試這3個函數而無需關注USB協議，即可完成虛擬示波器的USB通信。3 虛擬示波器上位機軟件設計
3.1 虛擬示波器USB通信的封裝
虛擬示波器上位機程序采用LabWindows/CVI開發(fā)，其本身并不支持USB通信，因此采用了調用外部模塊的方法。采用VC++編寫程序，將USB通信底層函數進行封裝，編譯成DLL，再供LabWindows/CVI進行調用。為此，將動態(tài)鏈接庫的頭文件和DLL文件導入進工程，生成1個FP的驅動器，這時虛擬示波器系統就可以直接調用DLL里面提供的函數。
3.3 虛擬示波器面板程序的開發(fā)
圖8中，用戶對虛擬示波器面板上的垂直幅度調節(jié)、水平寬度調節(jié)等按鈕操作時，系統會將相應的操作命令傳送給下位機，并由下位機調節(jié)垂直幅度和水平時基等，從而實現用戶對虛擬示波器系統的操作。
4 測試結果
采用FPGA處理器和ALTERA公司的NiosⅡ軟核完成虛擬示波器系統設計后，進行了多次測試，其性能指標如表1所示。
由表1可知，該虛擬示波器達到了一般模擬示波器的指標。然而由于本系統采用虛擬儀器技術，在功能上增加單次采樣、波形保存等功能，因此與普通示波器相比，其成本低廉，操作界面更友好、簡便。
5 結論
本文以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，設計了1種雙通道虛擬示波器，該示波器利用FPGA 中嵌入的NiosⅡ軟核構成的SOPC系統，完成虛擬示波器各模塊的管理；利用嵌入式USB協議，配合片外的模擬信號處理模塊，通過USB總線，完成各種波形數據的采集，經上位機軟件完成了波形顯示和數據分析，并實現了儀器的各種操作功能。實際測試結果表明，該虛擬示波器達到了或優(yōu)于一般模擬示波器的性能指標。
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