基于NiosⅡ的數字示波器的設計與實現

　　0 引言

　　在電子技術領域中，示波器的應用非常廣泛，使用它可以方便直觀地觀察到信號的全貌，并測量信號的幅度、頻率、周期等基本參數。傳統的模擬示波器顯示時采用熒光物質的余輝時間都是一定的，導致其難以觀測到周期較長的信號。另外，模擬示波器還無法對信號進行一些特殊的數學處理(如FFT)。而數字示波器正好可以克服模擬示波器的不足，它采用各種先進的測量技術來滿足各種應用。如基于采樣原理，采用高速A/D轉換器實現高速數據采集，將模擬信號數字化，然后借助處理器強大的數據處理能力實現各種數字信號處理算法，將波形以圖形的方式直觀地顯示出來，并能夠得到被測信號各種豐富的參數。

　　1 系統總體方案

　　本設計的系統框圖如圖1所示，得益于FPGA的靈活性，系統的大部分功能都在FPGA內部完成，使得整體結構非常簡潔。外圍電路主要包括A/D轉換模塊、LCD顯示器、SD卡、FLASH和按鍵。

　　A/D轉換模塊的功能是實現模擬信號到數字信號的轉換;FLASH模塊的功能是存儲SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)片上系統的固件程序;SD卡模塊的功能是實現測量信息的長期、大量存儲，提供與PC機的接口，便于后期在計算機上進行分析;LCD模塊的功能是對測量信號波形和相關參數的實時顯示;按鍵模塊的功能是提供整機的調節和控制接口。

　　2 FPGA邏輯功能模塊設計

　　FPGA內部系統框圖如圖2所示。它主要由采樣率控制器、觸發控制單元、FIFO控制器、頻率測量單元、按鍵控制單元和LCD驅動器構成。

　　3 SoPC設計

　　本設計中使用的是NiosⅡ/f處理器，使用硬件乘除法器，工作于50 MHz。使用FPGA內嵌的RAM塊作為系統的運行內存。采用FLASH作為片外存儲器，保存用戶程序，其通過Avalon總線三態橋與NiosⅡ處理器相連。

　　3.1 SoPC軟件設計

　　系統開機調用相關函數初始化LCD，SD卡和FAT文件系統之后，首先繪制圖形界面，輸出固定信息，接著讀取波形參數，將其顯示在LCD上，然后等待FIFO寫滿。若FIFO寫滿則將FIFO數據讀入緩沖區中，同時在屏幕上繪制波形，獲得波形的最大和最小值。最后如果有用戶按鍵輸入則處理按鍵事件，否則檢測波形參數是否變化，若有變化則更新顯示，否則等待FIFO寫滿，進行下一次顯示。流程如圖3所示。

　　3.1.1 SoPC底層軟件設計

　　底層軟件為各設備的驅動程序，主要有：

　　(1)LCD驅動。根據顯示內容的需求，LCD驅動程序設計了以下函數：

　　①發送數據/命令：將數據/命令通過驅動器發送到LCD;

　　②LCD初始化：完成LCD的上電復位和初始化;

　　③LCD清屏：清空顯示;

　　④輸出一個像素：在指定位置輸出一個指定顏色的像素點;

　　⑤畫直線：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的直線;

　　⑥畫矩形：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的矩形，可選擇是否填充;

　　⑦輸出一個字符：在指定位置輸出一個指定顏色的字符;

　　⑧輸出一個字符串：在指定位置輸出一個指定顏色的字符串。

　　(2)SD卡驅動。SD卡通信采用SPI模式，SD卡驅動的函數及功能為：

　　①發送數據/命令：將數據/命令發送到SD卡;

　　②讀取數據：從SD卡讀取一個字節;

　　③SD卡復位：SD卡上電后復位并使其進入SPI模式;

　　④SD卡初始化：初始化SD卡使其作好數據讀寫準備;

　　⑤讀一個扇區：從指定的扇區地址讀取一個扇區的數據到緩沖區;

　　⑥寫一個扇區：將緩沖區數據寫入指定的扇區地址處。

　　(3)FAT16文件系統。FAT16文件系統的主要函數及功能為：

　　①FAT初始化：獲取每簇的扇區數、FAT表地址、根目錄地址和FAT表占用的扇區數等FAT信息;

　　②確定文件名稱：查找已存在的波形文件以確定要保存的文件的名稱;

　　③添加根目錄項：將保存的文件的名稱、大小、位置等添加到根目錄;

　　④添加FAT表項：查找FAT表的空簇，將新文件的簇號寫入FAT表。