基于FPGA的数字存储示波器

! " # $ % & !"# 处理及 方式实现 $%&! 触发信号产生 #"! 显示控制 ’()*+ 单片机 控制面板 "键盘内置 ,!- 收稿日期!!""#$"%$.*!修回日期!!""#$&/$"( 基金项目!中国民航学院科研资助项目"/0/00.12/3#4 作者简介!周德新"&%*3$$%女%辽宁抚顺人%副教授%硕士%研究方向为智能捡测&智能控制’ . 引言 高速数字化采样技术和 #5%及 $%&! 技术的 发展已经开始对传统测试仪器6包括现有的数字化 仪器发展产生着深刻的影响% 对传统仪器体系结 构%包括传统测量方法&传统仪器的定义和分类等% 都将产生深刻的变革708’近几年来6独立仪器通常采 用 #5% 或 $%&! 结构( 从信息处理技术的发展上 看6以 $%&! 为基础的软件硬件化是其重要的发展 方向( 本文设计的数字存储示波器%是由单片机和 $%&! 相结合的方式组成7/8( 即用单片机完成人机 界面&系统控制%用 $%&!完成数据采集&数据处理 等功能( 0 系统结构及功能设计 系统的总体框图如图 0 所示( 系统中的核心 器件 9()*0 单片机和可编程逻辑器件作为数据处 理及控制的核心%框图中的虚线部分是现场可编程 门阵列"$%&!$!:;<0=>?@:033A>(作为数据处理 的核心部件 $%&!主要完成采样频率控制%高速的 模数&数模转换%数据存储及输出显示控制等( 其中)在数据采集模块设计中%采用高速的模 数转换器 @B:**0.%其转换速度可以达到 /. -C DE% 并且直接用 $%&! 控制采样进程! 数据存储功能 的设计% 采用 $%&! 内部嵌入式双口 ,!- 的 F% 核%!:;<0=>.内部可形成 > GC的 ,!-6完全满足 一般存储深度的要求7>8( 采用这种模式%减免了外 部干扰%布线的复杂性%而且不受 ,!- 速度的限 制!双踪输入功能的实现%用一片模数转换器&一 基于 $%&!的数字存储示波器 周德新!王 鹏!范守正!朱鸿林 "中国民用航空学院 机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院!天津 >..>..# 摘要!基于 $%&! 的数字存储示波器!以可编程逻辑器件 !:;<0=>.@:033H> 和 9()*0 单片机 为核心!由通道输入调整$数据采集$数据处理$波形显示和操作面板等功能模块组成% 系统中 的数据采集及数据处理模块!采用了 $%&! 内制的 ,!- F% 核!使系统的工作频率基本不受 外围器件影响!经 IJKLMNEFF 延时分析!其内核频率可以达到 3? -OP 以上Q这对于数据处理速 度和实时性要求比较高的应用领域具有重要的意义% 关 键 词!数字存储示波器&单片机&可编程逻辑器件&$%&! 中图分类号!@R(0(S* 文献标识码!T :O0 :O/ 显示 ! " 图 ! 系统总体结构图 ’ !!( ’ !) * + , - . / . 0 !"#!"! $"!! !""#1 #2 %&’($)*+&,+-./.*+)/.)0.&$+’$./1(2.03+&,+-4.$)+++++++++++++++++++++++++++++++++++++)5678++"#$" !"#$%$%"&’(%%%3!%%#4%!’%%!(’%# 万方数据 中 国 民 航 学 院 学 报 !""! 年 ! 月 套 "#$ 和一片数模转换器!以高速率切换高速电 子开关 %! &’()*+"速度可达 *) $,-.#分别选通两 路信号!数据存储在 "/$ 的奇$偶地址位0(1% 双踪 显示时!先扫描奇数位地址的数据!再扫描偶数位 的地址& 幅度控制模块采用程控放大器 23/+)4 实现信号的放大!通过其控制管脚的逻辑状态!改 变放大倍数% 满足每档增加 +) 倍的要求!而且精 度较高!控制也很方便% 同时!为保证足够大的输 入阻抗!输入级加入一级同相跟随器!输入阻抗达 到 $!级% 5 系统软件设计 !"# 基于 $%&’的程序设计 采集存储逻辑电路的作用是将 /-6 变换后的 数据写入内置 "/$ 中! 其控制逻辑包括接口$功 能控制模块$ 采集存储控制模块及输出显示模块 等% 基于 723/ 的顶层逻辑设计原理图如图 5 所 示% 图中主要集成了 (个功能模块’数据采集 /-6 变 换 控 制 模 块 " /6**+) ( ! 功 能 控 制 模 块 )’8"9:6;<(!读写控制模块"=:"(!双口 "/$ 控 制模块""/$(% 外围接口键控功能为’">?>8 为系统复位键& ’9" 为重新采集信号! 此键不影响对采样信号频 率的记忆功能&?&;78"$?&;789 为控制输出地址 键! 可以通过控制此键在示波器窗口中显示所有 内存中的波数据&29<$ 为采样频率-扫描频率调 控键!通过它的切换!可以使其达到最优采样及显 示!且在内部记忆输入频率!经可控分频计调控! 在输出时!保证输出采样波形频率不变"为原始频 率(&8:@8 为*++时!系统工作在实时同步触发采 集模式! 存储及显示为实时采集存储的数据!为 *)+时!系统工作做单次采集模式!存储及显示为 单次采集的数据&ABCDDEB.为硬件的触发信号%为完 成数据存储功能!对一些子模块功能的处理如下% 5F+F+ 功能控制模块 +#可控分频器’它的作用是提供采样时钟!其 分频比由单片机提供的控制信号查表得出! 然后 转化为对应的计数量值! 输出频率对应的存储及 读取时钟!及显示 ! 轴所需的对应频率的锯齿波% 仿真波形如图 4所示% 图 ! 顶层逻辑设计原理图 GHB GHI*)J K$L BE.EA MN0%FF)1 ABCDDEB. A:LA .OCPAH .OCPAB NMAMQ0%FF)1 MNRE MNGHI NMAMRS 0%FF)1 ’8"9:6;< "> 7? ’9TU)$ 6/8/V0%FF)1 $ #6UU+) "> #6’9T ’9T #6W> 60%FF)1 6#8#0%FF)1 6’9T =:" ">?>8 ">’9T 8:@8 ="’9T ’9T =#66"WX80YFF)1 ?&;79"/66"WX80YFF)1 ?&;7" "/$ 6/8/0%FF)1 ="/66">??0YFF)1 "6/66">??0YFF)1 Z0%FF)1 =">@ ="’9W’T "6’9W’T <’’ 2"@ 8 Z ’9"@ 4[ 44 + 5 图 ( 仿真波形 5[ 5#可控计数器’采集数据时!地址计数器在采 样时钟同步下计数! 为两路信号的存储提供相应 地址%同时!采样时钟也作为 /-6 芯片的读信号和 "/$ 的写信号%最低位作为两路信号的选择模拟 开关的选通信号! 这样 5 个信号的数据分别存入 奇地址和偶地址% 其中可控计数器还向单片机提 供了两个地址调整的输入端口% 单片机通过此端 口可以实现 "/$读地址前移和后移%从而使所有 万方数据 第 !! 卷 第 ! 期 周德新!王 鹏!范守正!等"基于 "#$% 的数字存储示波器 存储的信号数据都可以通过键盘控制任意显示在 示波器上# 读地址位移 !"#$%&&"’ &()*+,%&&"!!%&&"-. $!"#$%&&"!.% &()*+,%&&"!!%&&" $!"#$%&&"/." % $&% 式中 ". 为存储深度 & !"#$%&&" 为实际地址 & &()*+,%&&" 为动态循环地址 &!%&&" 为键控跳 变量 # ’%时钟选择器"在单片机的控制下!通过与可 控分频器的配合!产生需要的扫描频率!从而得到 适合于当前信号的采样频率# 频率计算公式为 01! &21 ’!% 其中(21" 2,. !2,为被测信号的周期&.为存储深度# !)&)! 显示控制模块 显示采用示波器的 3-4 方式# 在 3-4 方式 下!示波器垂直轴(水平轴的偏转电压均由外部提 供)因此只要提供数据和相应的坐标数据*经 *+% 转换送至 3+4轴即可# 在显示允许期间!地址计 数器以固定的频率循环计数!,%-的读信号与显 示时钟同步# 若想实现两路的同步显示!只需将 ,%-中的奇偶数据一起扫出!则两路信号相叠加 显示出来./0# &%显示的垂直位移调节电路!将数据 *+% 后 的模拟量附加一可调的直流分量! 来实现波形 4 轴的垂直位移# !%显示的水平位移调节电路!将坐标锯齿波 数据 *+%后的模拟量加一可调的直流分量!来实 现波形不变的水平位移# !"! 系统软件主程序设计 本系统软件主程序流程图如图 1所示# 便于 编排以及增加其他功能扩展模块# 可以实现在基 本硬件不改变的条件下!对主系统升级# 尤其采 用了 "#$%!更可实现在线的编程(下载及调试# ’ 结语 数字技术的发展将使检测设备的传统体系结 构发生深刻的变革!"#$% 是最新发展的可编程逻 辑器件#"#$% 技术的发展与应用为把握这种机遇 提供了良好的硬件支持.20# 本文基于 "#$% 数字存 储示波器的设计! 就是对 "#$% 应用技术的一种 尝试#独立仪器通常采用 *3#或 "#$% 结构#从信 息处理技术的发展上看4以 "#$% 为基础的软件硬 件化是其重要的发展方向# 参考文献! .&0 赵典峰 )#5* 推动系统设计进行 36#7 新纪元 .80)电子产品世 界!!999!’2%"&/,&2) .!0 潘 松4黄继业):*% 技术实用教程.-0)北京"科学出版社4!99!) .’0 潘新明!王艳芳)微型计算机控制技术.-0)北京"电子工业出版 社4 !999) .10 徐惠明!安德宁)数字逻辑设计与 ;<*5 描述.-0)北京"机械工 业出版社4!99!) ./0)杨之廉!申 明)超大规模集成电路设计方法导论.-0)北京"清 华大学出版社!&===) .20 3>?@A? B!CDEFGE ;)"HFIJK?F>JLM EN *OPO>JL 5EPOQ RO>A ;<*5 *?MOPF.-0)S3%"-Q$TJR!OEF!&===) 开始 初始化 查键盘(面板!读入各项参数 是否允许采集 移交控制权给 "#$% 选择存储或者 实时处理 回读数据 数据处理 主循环结束 连续显示 采集结束标志 U V U V U V 图 # 系统软件主程序流程图 !W 万方数据 中 国 民 航 学 院 学 报 !""! 年 ! 月 "#$#%&’ ()*+,- ./0#’’+$,&12 3&/)4 +5 6789 !"#$ %&!’()!*+,- .&)/!0+, 1234!52&)/!!6$ 63)/!7() "8377&/& 39 +(: ;:<99(= ><)#5$ +/0#’’+$,&12 ?&/)4 +5 6789 0+@’4 ?) 1,+$,&**)4 0+5>),%#?’- #5%+ & ’+$#0 4)>#0) &/ & 0+,) += 9ABCDE:;FAGHH!: &54 IJ0KG /#5$’) /’#0)LM% 0+5/#/%/ += 1&%2 #51@% &4N@/%#5$!4&%& 0+’’)0%#5$!O&>)!=+,* 4#/1’&-#5$!& =,+5% 1&5)’ &/ O)’’ &/ & =@50%#+5&’ *+4@’&,L 678P #5%),#+, 0+,) += QP(7 #/ &4+1%)4 =+, 4&%& 0+’’)0%#5$ &54 1,+0)//#5$ *+4@’&, #5 %2) /-/%)* %+ &5 #4)&’ )R0’@/#+5 += 4#/%@,?&50) +@% += #,,)’)>&5% =,)S@)50- =,+* &’#)5LF2,+@$2 (PC7TMU MM %#*)!4)’&-)4 &5&’-/#/!#%/ =,)S@)50- += %2) 0+,) 0+@’4 ?) /))5 &/ 2#$2 &/ H; (VW +, &?+>)!O2#02 #/ /#$5#=#0&5% %+ &11’#0&%#+5/ O#%2 2#$2 )R1)0%&%#+5 %+ & %,)&%*)5%!/1))4 &54 %+ & %,)&%*)5% %#*#5$L ()* +,%-#!4#$#%&’ *)*+,- +/0#’’+$,&12$02#1 *#0,+0+*1@%),$1,+$,&**&?’) ’+$#0 4)>#0)$6789 !责任编辑"杨媛媛# XI !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !"#$ !"%& Q)/)&,02 +5 ")/#$5 += M5%)’’#$)5% 6&@’% "#&$5+/#/ U-/%)* += P#,1’&5) B’)0%,+5#0 U-/%)* B$C D4)!7()!B$C 63)/ %8377&/& 39 +&:3)<4@(=<7 >&=2<)(=E F +G(3)(=E H)/()&&:()/!8+$8!;(<)A() :;;:;;!82()<& ."#$%&’$!M% 4#/0@//)/ & <)- #//@) +5 )/%&?’#/2#5$ & /-/%)* %+ 4#&$5+/) +5!?+&,4 #5%)’’#$)5% )’)0# %,+5!)S@#1*)5%!&54 ?&/)4 +5 & 1+//#?#’#%- += %2) *+4),5 O#,)’)// 0+**@5#0&%#+5 5)%O+,) #%LM% &’/+ 4#/# 0@//)/ #5 & 4+O5 %+ )&,%2 O&- /+*) <)- %)025+’+$#0&’ &/1)0%/!#5 1&,%#0@’&,!& 1,+%+0+’ =+, O#,)’)// 0+**@5#0&%#+5/Y &5 )R1),% /-/%)* %+ 1,)4#0&%) &54 4#&$5+/) +5!?+&,4 )’)0%,+5!)S@#1*)5%Y O2#02 *&- /),>) &/ & ?&/) & ’&%), 12&/) 4)>)’+1*)5% += %2) /-/%)*L ()* +,%-#!#5%)’’#$)5% =&@’% =+,)0&/%$=&@’% 4#&$5+/#/$O#,)’)// 0+**@5#0&%#+5$5)@,&’ 5)%++,< E&’*&5 =#’%), !责任编辑"李 侃$ ZH[ \#02+’/ V ( A!]),,&54 A ]!"&>#4 ( VL Q)*+%) #5/%,@*)5% 4#&$5+/#/ +5 %2) #5%),5)%Z^[LIHHH I)@&77(/&)@ 1JE@&?!X;;X!%K&_ ‘;’abL ZK[ 赵新灿!左洪福!陈 果L虚拟仪器技术在远程故障诊断中的应 用Z^[L应用基础与工程科学学报!X;;;!c"X!:&!Xbb’Xa;L Zb[ 陈世福L人工智能与知识工程Z([L南京(南京大学出版社!X;;XL Za[ 蒋浩天L工业系统的故障检测与诊断 Z([L北京(机械工业出版 社!X;;:L 万方数据 基于FPGA的数字存储示波器 作者： 周德新， 王鹏， 范守正， 朱鸿林 作者单位： 中国民用航空学院,机电工程学院,天津,300300 刊名： 中国民航学院学报 英文刊名： JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA 年，卷(期)： 2004,22(2) 被引用次数： 2次 参考文献(6条) 1.Stephe B;Zvonko V Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design 1999 2.杨之廉;申明 超大规模集成电路设计方法导论 1999 3.徐惠明;安德宁 数字逻辑设计与VHDL描述 2002 4.潘新明;王艳芳 微型计算机控制技术 2000 5.潘松;黄继业 EDA技术实用教程 2002 6.赵典峰 PLD推动系统设计进行SOPC新纪元[期刊论文]-电子产品世界 2000(06) 引证文献(2条) 1.李仪.潘佑华 基于FPGA和ARM的数字存储示波器控制系统的设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2010(3) 2.周德新.陈世一.江国业.王鹏 FPGA在油气管道泄漏噪声监测系统中的应用[期刊论文]-石油化工高等学校学报 2004(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgmhxyxb200402007.aspx