基于FPGA的示波器圖文顯示系統的設計方案
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0 引言
FPGA(Field Programmable Gate Array)，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列是大規?？删幊踢壿嬈骷?，可以取代現行所有的全部微機接口芯片，實(shí)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(gè)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(shí)，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(zhuān)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(wèn)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(shù)，具有很強的實(shí)用性和巨大的市場(chǎng)潛力，也代表了當代電子測量?jì)x器的一種發(fā)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(fā)展。
1 系統總體設計讀寫(xiě)
根據設計要求：在示波器上顯示2個(gè)以上字符或圖案，如顯示0-9十個(gè)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(jìn)行取模，得到其二進(jìn)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(pán)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(jìn)制數字量進(jìn)行數一模轉換，在經(jīng)過(guò)高速
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(mén)陣列的邏輯器件——FPGA。
Spartan系列FPGA是Xilinx公司可編程邏輯產(chǎn)品中的高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品的代表，而Spartan-Ⅲ系列FPGA是為那些需要大容量、低價(jià)格電子應用的用戶(hù)而設計的。本系統使用的是XILINX公司的XC3S200型號芯片，其技術(shù)參數如下：
●4 320個(gè)邏輯單元；
●系統門(mén)密度200 k個(gè)；
●CLB陣列24*20，共480個(gè)；
●最大用戶(hù)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(wú)電源供電時(shí)，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(xiàn)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
它的技術(shù)參數為：建立時(shí)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(lái)進(jìn)行轉換，同時(shí)將運放設計為可調形式，通過(guò)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(shù)指標加下：
3 系統軟件設計
基于VHDL語(yǔ)言的功能與靈活性，非依賴(lài)性和可移植性種種優(yōu)勢，本設計在FPGA編程上采用了VHDL語(yǔ)言實(shí)現?？傮w設計思路：采用50 MHz外部時(shí)鐘控制對FPGA內部進(jìn)行分頻控制，在分頻模塊的作用下得到設計所需要的時(shí)鐘信號。通過(guò)按鍵選通在ROM內部選擇要顯示的模塊部分，進(jìn)行X、 Y方向掃描，得到初步的數據，同時(shí)外加Z方向掃描來(lái)控制所顯圖形的亮度。通過(guò)將所有的“1”存儲在一個(gè)ROM中作為緩存，達到消除零點(diǎn)的目的。將ROM中的數據轉移到RAM中，通過(guò)乒乓交換操作來(lái)進(jìn)行模式轉換，最后通過(guò)外圍電路輸入示波器，實(shí)現顯示?？傮w流程圖：
4 結語(yǔ)
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(lái)，顯示的圖形和文字與預期的基本一致。該設計滿(mǎn)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(shí)使顯示更加高速度快捷，具有非常廣闊的應用前景。
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