基于S3C2440的可視化多功能波形發生器的設計

張傳勝

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

目前，隨著電子設計自動化技術的發展，特別是現代仿真和測試技術的發展，激光器控制系統對波形發生裝置的需求越來越復雜，傳統的函數發生器雖然性能優越，卻無法滿足激光器控制系統的實際測試需求，同時成本也較高。利用FPGA芯片作為處理核心，配置成直接數字式頻率綜合器是一種新穎的頻率合成技術，在專用的測試場合得到了快速的發展。這種方法具有適合復雜控制信號、輸出穩定度高等優點。但由于FPGA芯片在觸控式人機交互界面的方面設計比較復雜，因此一般不具備良好的操作性和擴展性。本文基于Samsung公司的S3C2440處理器和Altera公司的FPGA芯片設計了一種可視化多功能波形發生器的解決方案［1－5］。其中S3C2440處理器負責處理人機交互，FPGA芯片負責頻率合成。在使用可視化多功能波形發生器時利用觸摸屏輸入需要的參數，即可實現特定波形的輸出。

2 總體設計

平臺的硬件部分由S3C2440微處理器、Altera公司的 FPGA 芯片 EPF10K10LC84－4、480×272分辨率的TFT液晶屏、電阻式觸屏、FLASH 存儲器等組成［6－11］。總體硬件設計如圖1所示。

圖1 總體硬件設計Fig.1 Hardware design

系統通過觸摸屏設定控制參數，并把頻率和相位參數傳遞給FPGA模塊，生成波形信號的頻率和相位，同時把幅度參數傳給DAC0832，得到波形的振幅，進而生成需要的波形信號。

由于S3C2440集成了液晶屏連接模塊、觸屏A／D轉換模塊、JATG開發接口、串口通信模塊和NAND FLASH 存儲器接口，只需要驅動DAC0832，并把FPGA模塊設定成DDS即可。

系統的主控界面如圖2所示，在此界面中可以設定波形樣式及其參數。

圖2 參數輸入的界面Fig.2 Parameter input interface

3 DDS設計

預定波形的形成是由FPGA芯片定制的直接數字式頻率綜合器DDS（Direct Digital Synthesizer）完成的，其實質是一種分頻器，通過編程頻率控制字來分頻系統時鐘進而產生所需的頻率。

DDS有兩個突出的特點：一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48bit或者更高），頻率分辨率高；另一方面，DDS工作在數字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應改變，其跳頻速率高。

其工作原理如圖3所示。

圖3 DDS工作原理Fig.3 Principle of the DDS

每當一個時鐘脈沖Fc到來，則N位加法器將頻率控制數據K 與累加寄存器輸出的累加相位數據進行相加，并把相加的結果Y送至累加寄存器的輸入端。

累加寄存器的作用有2個方面，一方面將新產生的相位數據反饋給N位加法器的輸入端，以使N位加法器在下一時鐘到來時繼續與頻率控制數據K相加；另一方面將這個新產生的相位數據作為取樣地址值送入幅度／相位轉換電路，幅度／相位轉換電路根據這個地址找到相應的波形數據。該波形數據經過D／A轉換器和低通濾波器處理后形成所需要的波形。

相位累加器在基準時鐘Fc的作用下，進行線性累加，每當相位累加器加滿溢出，DDS就完成了一個周期的波形輸出。

圖4 波形仿真效果Fig.4 Waveform simulation results

由于在Altera公司的FPGA資源庫中有現成的DDS IP模塊，因此本系統直接利用Altera公司的FPGA資源庫中給定IP核進行構建，然后通過ModelSim仿真軟件進行仿真，仿真結果如圖4所示。

4 軟件設計與實測

由于使用S3C2440處理器和FPGA構成DDS系統，因此外圍電路變得異常簡單。整個波形發生器的主程序只需要對S3C2440處理器進行控制即可。其中DDS系統與單片機的接口用VHDL語言編寫。系統通過觸摸屏設定控制參數，并把頻率和相位參數傳遞給FPGA模塊，生成波形的頻率和相位，同時把幅度參數傳給DAC0832，獲得波形的振幅信息，進而生成需要的波形信號。算法流程如圖5所示。

圖5 控制算法Fig.5 Control algorithm

系統的波形信號通過數字示波器監測進行效果驗證，測試結果如圖6所示。

圖6 通過示波器實測的效果Fig.6 Measurement result displayed in the oscilloscope

由于DAC0832是8位分辨率，每次轉換時間為最短為0.1μs，因此本系統的輸出波形最大頻率不能超過5MHz。從圖中可以看出，系統在輸出5MHz波形的情況下可以很好地滿足激光器控制信號的實際需求。

5 結 論

上述可視化多功能波形發生器采用S3C2440處理器驅動TFT液晶屏、觸摸屏，并利用EPF10K10LC84－4芯片按照Altera公司的FPGA資源庫中給定IP核定制出適合的DDS，實現多功能波形發生器的功能，適用于控制系統中有多種波形需求的場合。通過仿真和實際應用測試結果可知，可視化多功能波形發生器可以滿足激光器控制系統的需求，具有成本低、實用性強、可定制、方便調試的優點。

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