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FPGA(Field Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列是大規模可編程邏輯器件，可以取代現行所有的全部微機接口芯片，實現微機系統中的存儲、地址譯碼等多種功能。利用 FPGA可以把多個微機系統的功能電路集成在一塊芯片上。應用FPGA設計功能電路時，可以讓人們的思路從傳統的以單片機或DSP芯片為核心的系統集成型轉向單一專用芯片型設計。傳統的示波器雖然功能齊全，但是體積大、重量重、成本高、等一系列問題使應用受到了限制。有鑒于此，便攜式數字存儲采集器就應運而生，它采用了LCD顯示、高速A／D采集與轉換、ASIC芯片等新技術，具有很強的實用性和巨大的市場潛力，也代表了當代電子測量儀器的一種發展趨勢，即向功能多、體積小、重量輕、使用方便的掌上型儀器發展。 1 系統總體設計讀寫 根據設計要求：在示波器上顯示2個以上字符或圖案，如顯示0-9十個數字及英文字符、圖象等，結合示波器顯示原理，設計電路如圖1所示。將要顯示的數字或符號進行取模，得到其二進制形式表示。將轉換好的數據送入FPGA內部RAM存儲。 在設計上我們使用了XILINX的SPARTAN-3芯片，作為控制器，完成總的數控部分、鍵盤和和顯示接口部分的控制。采用八位(或者更高位)D／A轉換，對FPGA芯片輸出二進制數字量進行數一模轉換，在經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，根據示波器原理，在屏幕上打點顯示數字(或者圖形)。而Z通道作為另一路獨立通道，對顯示的數字亮度進行可控顯示。 2 系統硬件設計 2．1 總體控制模塊 基于本設計，系統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公司可編程邏輯產品中的高性價比產品的代表，而Spartan-Ⅲ系列FPGA是為那些需要大容量、低價格電子應用的用戶而設計的。本系統使用的是XILINX公司的XC3S200型號芯片，其技術參數如下： ●4 320個邏輯單元； ●系統門密度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，當無電源供電時，配置的數據丟失，芯片的功能也隨之丟失。因此，本設計采用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轉換 在D／A選擇上，我們用的是美國半導體公司的 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，一個工作于受控鎖存器狀態。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，就開始轉換，可以提高D／A的數據吞吐量。雙緩沖工作方式時，兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態。當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。 它的技術參數為：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換，同時將運放設計為可調形式，通過調節它便可以調節輸出電壓的大小，達到控制顯示幅值的目的。本設計采用LM741系列運放，其技術指標加下： 3 系統軟件設計 基于VHDL語言的功能與靈活性，非依賴性和可移植性種種優勢，本設計在FPGA編程上采用了VHDL語言實現。總體設計思路：采用50 MHz外部時鐘控制對FPGA內部進行分頻控制，在分頻模塊的作用下得到設計所需要的時鐘信號。通過按鍵選通在ROM內部選擇要顯示的模塊部分，進行X、 Y方向掃描，得到初步的數據，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中的數據轉移到RAM中，通過乒乓交換操作來進行模式轉換，最后通過外圍電路輸入示波器，實現顯示。總體流程圖： 4 結語 本文是基于FPGA的數字示波器圖文顯示系統的硬件／軟件的設計思路和設計方案。此系統設計完成后，測試表明系統可以將相應的圖形文字顯示出來，顯示的圖形和文字與預期的基本一致。該設計滿足了系統的需要，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，具有非常廣闊的應用前景。 |
