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(shù)轉(zhuǎn)換芯片為數(shù)據(jù)采集前端；使用FPGA片內(nèi)雙口內(nèi)建RAM進行數(shù)據(jù)存儲、有限狀態(tài)機實現(xiàn)示波器的觸發(fā)控制和顯示驅(qū)動；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）開發(fā)板上的測試結果表明，所設計的手持式示波器可以實現(xiàn)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(diào)節(jié)、波形參數(shù)的直接讀出等功能。

關鍵詞： FPGA； 示波器； 液晶顯示屏； 有限狀態(tài)機

中圖分類號： TN919?34； TP334 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0106?03

0 引 言

目前，數(shù)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(tǒng)的模擬示波器，并向著更為小巧的低成本、便攜式應用方向發(fā)展。近幾年來，許多研究者充分利用FPGA片上的資源豐富、使用靈活、開發(fā)成本低的優(yōu)點提出了一些數(shù)字示波器的虛擬儀器解決方案[1?2]和嵌入式解決方案[3?8]，這些設計采用FPGA片內(nèi)資源來實現(xiàn)數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)存儲（RAM）、觸發(fā)控制、數(shù)字信號運算與處理、顯示終端驅(qū)動等功能，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使用到微處理器[3?7]（8051/ARM/Nois Ⅱ）作為系統(tǒng)調(diào)度和數(shù)據(jù)處理的核心或采用VGA顯示器作為圖形輸出終端[1，2，8]，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、超薄等顯著優(yōu)點，比較適合低成本、便攜式電子信息產(chǎn)品來實現(xiàn)字符和圖形的顯示[4]。因此，文中就以LCD12864液晶模塊作為數(shù)字示波器的低成本圖形顯示終端；基于FPGA應用技術，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(diào)節(jié)、波形參數(shù)的直接讀出特點的低成本手持式數(shù)字示波器。

1 手持式示波器的系統(tǒng)設計

2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

3 雙口RAM的讀寫控制

為此，首先需要把64 b的圖形數(shù)據(jù)按位分成8段分別存儲在8個128×8 b的RAM單元中，這樣才能保證每個RAM存儲單元的讀/寫數(shù)據(jù)位寬一致。其次，采集的波形數(shù)據(jù)需要經(jīng)過行列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置模塊，才能做到RAM數(shù)據(jù)的按行寫入。行列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置模塊采用了流水線結構，在觸發(fā)啟動信號和時鐘的共同作用下把采集到的列點陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置成適合LCD屏顯示的行數(shù)據(jù)格式。

4 LCD顯示驅(qū)動模塊

要驅(qū)動LCD模塊顯示正確圖形，就需要根據(jù)液晶屏的控制時序和用戶指令集，設計出正確的有限狀態(tài)機（FSM）來完成LCD模塊的初始化、控制命令和寫入數(shù)據(jù)操作過程；并產(chǎn)生RAM讀數(shù)據(jù)的地址，圖4所示就是LCD顯示驅(qū)動模塊的狀態(tài)遷移。

在LCD模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，系統(tǒng)上電后，首先進行持續(xù)大約0.05 s的自動復位（需要根據(jù)時鐘頻率調(diào)整），然后進入LCD模塊的初始化過程，因此在狀態(tài)機中設置有3條條件轉(zhuǎn)換路徑來實現(xiàn)LCD屏的工作模式切換：初始化、顯示數(shù)據(jù)和起始行地址寫入。同時也在關鍵路徑上設置有可以配置參數(shù)的延時——在方便LCD模塊的工作調(diào)試的同時，使LCD模塊一直工作在寫屏模式，驅(qū)動LCD模塊動態(tài)實時顯示、產(chǎn)生雙口RAM的讀數(shù)據(jù)地址。

5 設計驗證

實驗結果表明，采用LCD12864液晶模塊作為手持式示波器的顯示終端，雖然顯示分辨率較低，可以清楚看到圖形的像素點；同時，這也是采用LCD12864屏的獨特優(yōu)點所在——能夠根據(jù)一個周期波形的像素點數(shù)和采樣信號頻率直接讀出被測信號周期，假如采用100 kHz（周期10 μs）的采樣率；測得顯示屏上的一個完整周期的波形點數(shù)是50，那么該被測信號的周期就是500 μs。

6 結 論

文中所設計的以LCD12864模塊為圖形顯示的低成本手持式示波器，最終在DE0_Nano FPGA開發(fā)板上的驗證結果表明，完全實現(xiàn)了模擬信號的測量；垂直靈敏度和掃描速度調(diào)節(jié)、波形參數(shù)直接讀出功能；這不但實現(xiàn)了示波器的廉價和便攜，而且還具有被測信號周期直接讀出的優(yōu)點。

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