基于Xilinx Spartan系列FPGA的数字示波器图文显示系统的软硬件设

应用FPGA设计功能电路时，可以让人们的思路从传统的以单片机或DSP芯片为核心的系统集成型转向单一专用芯片型设计。传统的示波器虽然功能齐全，但是体积大、重量重、成本高、等一系列问题使应用受到了限制。有鉴于此，便携式数字存储采集器就应运而生，它采用了LCD显示、高速A/D采集与转换、ASIC芯片等新技术，具有很强的实用性和巨大的市场潜力，也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势，即向功能多、体积小、重量轻、使用方便的掌上型仪器发展。
    　　1 系统总体设计读写
    　　根据设计要求：在示波器上显示2个以上字符或图案，如显示0-9十个数字及英文字符、图象等，结合示波器显示原理，设计电路如图1所示。将要显示的数字或符号进行取模，得到其二进制形式表示。将转换好的数据送入FPGA内部RAM存储。
    　　   

    　　在设计上我们使用了XILINX的SPARTAN-3芯片，作为控制器，完成总的数控部分、键盘和和显示接口部分的控制。采用八位(或者更高位)D/A转换，对FPGA芯片输出二进制数字量进行数一模转换，在经过高速运算放大器后得到其电压量。分X，Y两路输出给示波器，根据示波器原理，在屏幕上打点显示数字(或者图形)。而Z通道作为另一路独立通道，对显示的数字亮度进行可控显示。
    　　2 系统硬件设计
    　　2.1 总体控制模块
    　　基于本设计，系统控制模块的部分是具有掩膜可编程门阵列的逻辑器件--FPGA。
    　　Spartan系列FPGA是Xilinx公司可编程逻辑产品中的高性价比产品的代表，而Spartan-Ⅲ系列FPGA是为那些需要大容量、低价格电子应用的用户而设计的。本系统使用的是XILINX公司的XC3S200型号芯片，其技术参数如下：
    　　●4 320个逻辑单元;
    　　●系统门密度200 k个;
    　　●CLB阵列24*20，共480个;
    　　●最大用户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应用;
    　　●PCI和带有LVDS的高速差分信号。
    　　2.2 存储单元模块
    　　由于FPGA基于CMOS SRAM工艺，不具备掉电保护功能，当无电源供电时，配置的数据丢失，芯片的功能也随之丢失。因此，本设计采用FLASH存储器在线重配置的方法。
    　　      
      
    　　2.3 外围电路模块
    　　2.3.1 D/A转换
    　　在D/A选择上，我们用的是美国半导体公司的 DAC0832，它具有8位并行、中速(建立时间1 us)、电流型、价格低廉等特点。它有单缓冲工作方式、双缓冲工作方式两种工作方式。单缓冲工作方式时，一个寄存器工作于直通状态，一个工作于受控锁存器状态。在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。双缓冲工作方式时，两个寄存器均工作于受控锁存器状态。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。
    　　它的技术参数为：建立时间1 us;8位并行;低功率损耗20 mW;支持电压：5 V～15 V。
    　　2.3.2 运算放大
    　　在D/A转换之后，我们得到的是电流信号，而需要输入示波器的为电压信号，因此运用运算放大器来进行转换，同时将运放设计为可调形式，通过调节它便可以调节输出电压的大小，达到控制显示幅值的目的。本设计采用LM741系列运放，其技术指标加下：
    　　   
      
    　　3 系统软件设计
    　　基于VHDL语言的功能与灵活性，非依赖性和可移植性种种优势，本设计在FPGA编程上采用了VHDL语言实现。总体设计思路：采用50 MHz外部时钟控制对FPGA内部进行分频控制，在分频模块的作用下得到设计所需要的时钟信号。通过按键选通在ROM内部选择要显示的模块部分，进行X、 Y方向扫描，得到初步的数据，同时外加Z方向扫描来控制所显图形的亮度。通过将所有的“1”存储在一个ROM中作为缓存，达到消除零点的目的。将ROM中的数据转移到RAM中，通过乒乓交换操作来进行模式转换，最后通过外围电路输入示波器，实现显示。总体流程图：
    　　   
      
    　　4 结语
    　　本文是基于FPGA的数字示波器图文显示系统的硬件/软件的设计思路和设计方案。此系统设计完成后，测试表明系统可以将相应的图形文字显示出来，显示的图形和文字与预期的基本一致。该设计满足了系统的需要，更重要的是具有很强的灵活性和可控性，同时使显示更加高速度快捷，具有非常广阔的应用前景。