基于FPGA的手持式示波器設計

摘要：在此設計的低成本手持式示波器是以ADC128S022模／數轉換芯片為數據采集前端；使用FPGA片內雙口內建RAM進(jìn)行數據存儲、有限狀態(tài)機實(shí)現示波器的觸發(fā)控制和顯示驅動(dòng)；最后再用LCD12864液晶模塊完成終端的低成本圖形顯示。在DE0-Nano FPGA(Altera Cyclone IV)開(kāi)發(fā)板上的測試結果表明，所設計的手持式示波器可以實(shí)現模擬信號任意電平上升沿或下降沿的觸發(fā)測量；垂直靈敏度和掃描速度調節、波形參數的直接讀出等功能。
關(guān)鍵詞：FPGA；示波器；液晶顯示屏；有限狀態(tài)機

0 引言
目前，數字存儲示波器以其體積小、攜帶方便、準確率高的獨特優(yōu)勢逐步取代了傳統的模擬示波器，并向著(zhù)更為小巧的低成本、便攜式應用方向發(fā)展。近幾年來(lái)，許多研究者充分利用FPGA片上的資源豐富、使用靈活、開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)提出了一些數字示波器的虛擬儀器解決方案和嵌入式解決方案，這些設計采用FPGA片內資源來(lái)實(shí)現數字示波器的數據存儲(RAM)、觸發(fā)控制、數字信號運算與處理、顯示終端驅動(dòng)等功能，這在很大程度上能夠降低示波器成本和復雜度，但是這些設計方案往往會(huì )使用到微處理器(8051／ARM／NoisⅡ)作為系統調度和數據處理的核心或采用VGA顯示器作為圖形輸出終端，還不能達到低成本的手持便攜使用要求。
LCD12864液晶顯示模塊具有低壓、微功耗、壽命長(cháng)、超薄等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，比較適合低成本、便攜式電子信息產(chǎn)品來(lái)實(shí)現字符和圖形的顯示。因此，文中就以L(fǎng)CD12864液晶模塊作為數字示波器的低成本圖形顯示終端；基于FPGA應用技術(shù)，設計出了具有模擬信號任意電平、上升沿或下降沿觸發(fā)；垂直靈敏度和掃描速度調節、波形參數的直接讀出特點(diǎn)的低成本手持式數字示波器。

1 手持式示波器的系統設計
基于FPGA的手持式示波器系統結構框圖如圖1所示，系統主要包括片外AD芯片、配置芯片EPCS16、以及片內PLL模塊、采樣時(shí)鐘配置模塊、按鍵掃描模塊、觸發(fā)控制模塊、雙口RAM存儲模塊、采樣數據圖形化與轉置模塊、LCD12864顯示驅動(dòng)模塊等。示波器的工作過(guò)程大致如下：經(jīng)過(guò)片外ADC128S022采集的12 b數字信號，再經(jīng)過(guò)片內圖形化模塊后轉換成1列LCD屏顯示的點(diǎn)陣數據；為了適應液晶屏按行讀出的工作方式，需要通道數據轉置模塊把按列采樣的點(diǎn)陣數據轉置成按行排列的數據；觸發(fā)模塊主要是要根據用戶(hù)設置(鍵盤(pán)輸入)的觸發(fā)電平及模式來(lái)控制RAM的寫(xiě)數據開(kāi)始或停止指令，同時(shí)生成對應的寫(xiě)數據地址；數控采樣時(shí)鐘模塊可以產(chǎn)生多種不同的采樣時(shí)鐘以滿(mǎn)足不同頻率信號的測量顯示；LCD驅動(dòng)模塊主要是依據LCD的工作時(shí)序產(chǎn)生RAM的讀數據地址和LCD模式控制指令。

圖1所示手持式示波器的設計關(guān)鍵在于根據LCD12864顯示模塊的工作時(shí)序來(lái)組織雙口RAM的讀／寫(xiě)、片外A／D的數據采集；這樣才能保證測量的模擬信號波形顯示正確。下文就對片外A／D模塊、雙口RAM的讀寫(xiě)控制和LCD顯示驅動(dòng)3個(gè)關(guān)鍵模塊做出比較具體的設計描述。