基于SOPC技術(shù)的虛擬示波器設計
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2 虛擬示波器SOPC系統構建及NiosⅡ軟件開(kāi)發(fā)
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(gè)32位RISC嵌入式處理器，具有5級流水線(xiàn)、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(kāi)發(fā)環(huán)境。
進(jìn)行基于Nios Ⅱ 的SOPC 系統開(kāi)發(fā)時(shí)，可利用ALTERA提供的SOPC插件，進(jìn)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(kāi)發(fā)符合AVALON總線(xiàn)的示波器模塊，并加入到自定義IP中。示波器模塊實(shí)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(jìn)行引腳配置，然后綜合、布線(xiàn)，生成配置文件，通過(guò)JTAG 對FPGA進(jìn)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(kāi)發(fā)
實(shí)踐證明，當系統的復雜程度達到一定時(shí)，采用嵌入式操作系統不僅會(huì )簡(jiǎn)化程序員工作、提高CPU利用率，而且會(huì )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(gè)性能優(yōu)良的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，穩定度高、安全性好；同時(shí)NiosⅡ開(kāi)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(kāi)發(fā)一般采用分層的方式進(jìn)行，它采用類(lèi)似Linux的設備文件系統來(lái)管理設備，采用HAL（硬件抽象層）完成硬件相關(guān)設備的封裝操作，因此每個(gè)CPU外設都需要有相應的驅動(dòng)程序。虛擬示波器系統中，NiosⅡ的驅動(dòng)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(dòng)程序，對于最底層與硬件相關(guān)的操作，NiosⅡ提供了IOWR（base，offerset，data）和IORD（base，offerset）2個(gè)宏，分別用于對寄存器的讀、寫(xiě)操作。這里，base為虛擬示波器驅動(dòng)程序的基地址，其自動(dòng)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(xié)議棧開(kāi)發(fā)
USB協(xié)議復雜，虛擬示波器系統開(kāi)發(fā)的USB協(xié)議?；趍icroc/os－Ⅱ，并采用了如圖7的分層結構，以減少開(kāi)發(fā)調試的難度。
硬件抽象層和命令接口層都與硬件相關(guān)，硬件抽象層負責對SX2的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而命令接口則實(shí)現與SX2的工作方式有關(guān)的操作；協(xié)議層與平臺無(wú)關(guān)，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(jìn)行封裝，應用層提供了簡(jiǎn)單的API接口，其利用senddata函數發(fā)送數據到主機，同時(shí)利用recdata函數從主機接收數據以及廠(chǎng)商請求的函數，上層程序只要簡(jiǎn)單地調試這3個(gè)函數而無(wú)需關(guān)注USB協(xié)議，即可完成虛擬示波器的USB通信。
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