0 引言

在電子技術領域中，示波器的應用非常廣泛，使用它可以方便直觀地觀察到信號的全貌，并測量信號的幅度、頻率、周期等基本參數。傳統的模擬示波器顯示時采用熒光物質的余輝時間都是一定的，導致其難以觀測到周期較長的信號。另外，模擬示波器還無法對信號進行一些特殊的數學處理(如FFT)。而數字示波器正好可以克服模擬示波器的不足，它采用各種先進的測量技術來滿足各種應用。如基于采樣原理，采用高速A／D轉換器實現高速數據采集，將模擬信號數字化，然后借助處理器強大的數據處理能力實現各種數字信號處理算法，將波形以圖形的方式直觀地顯示出來，并能夠得到被測信號各種豐富的參數。

1 系統總體方案

本設計的系統框圖如圖1所示，得益于FPGA的靈活性，系統的大部分功能都在FPGA內部完成，使得整體結構非常簡潔。外圍電路主要包括A／D轉換模塊、LCD顯示器、SD卡、FLASH和按鍵。

A／D轉換模塊的功能是實現模擬信號到數字信號的轉換；FLASH模塊的功能是存儲SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)片上系統的固件程序；SD卡模塊的功能是實現測量信息的長期、大量存儲，提供與PC機的接口，便于后期在計算機上進行分析；LCD模塊的功能是對測量信號波形和相關參數的實時顯示；按鍵模塊的功能是提供整機的調節和控制接口。

2 FPGA邏輯功能模塊設計

FPGA內部系統框圖如圖2所示。它主要由采樣率控制器、觸發控制單元、FIFO控制器、頻率測量單元、按鍵控制單元和LCD驅動器構成。



3 SoPC設計

本設計中使用的是NiosⅡ／f處理器，使用硬件乘除法器，工作于50 MHz。使用FPGA內嵌的RAM塊作為系統的運行內存。采用FLASH作為片外存儲器，保存用戶程序，其通過Avalon總線三態橋與NiosⅡ處理器相連。

3．1 SoPC軟件設計

系統開機調用相關函數初始化LCD，SD卡和FAT文件系統之后，首先繪制圖形界面，輸出固定信息，接著讀取波形參數，將其顯示在LCD上，然后等待FIFO寫滿。若FIFO寫滿則將FIFO數據讀入緩沖區中，同時在屏幕上繪制波形，獲得波形的最大和最小值。最后如果有用戶按鍵輸入則處理按鍵事件，否則檢測波形參數是否變化，若有變化則更新顯示，否則等待FIFO寫滿，進行下一次顯示。流程如圖3所示。


3．1．1 SoPC底層軟件設計

底層軟件為各設備的驅動程序，主要有：

(1)LCD驅動。根據顯示內容的需求，LCD驅動程序設計了以下函數：

①發送數據／命令：將數據／命令通過驅動器發送到LCD；
②LCD初始化：完成LCD的上電復位和初始化；
③LCD清屏：清空顯示；
④輸出一個像素：在指定位置輸出一個指定顏色的像素點；
⑤畫直線：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的直線；
⑥畫矩形：畫從(x0，y0)到(x1，y1)的指定顏色的矩形，可選擇是否填充；
⑦輸出一個字符：在指定位置輸出一個指定顏色的字符；
⑧輸出一個字符串：在指定位置輸出一個指定顏色的字符串。

(2)SD卡驅動。SD卡通信采用SPI模式，SD卡驅動的函數及功能為：

①發送數據／命令：將數據／命令發送到SD卡；
②讀取數據：從SD卡讀取一個字節；
③SD卡復位：SD卡上電后復位并使其進入SPI模式；
④SD卡初始化：初始化SD卡使其作好數據讀寫準備；
⑤讀一個扇區：從指定的扇區地址讀取一個扇區的數據到緩沖區；
⑥寫一個扇區：將緩沖區數據寫入指定的扇區地址處。
(3)FAT16文件系統。FAT16文件系統的主要函數及功能為：
①FAT初始化：獲取每簇的扇區數、FAT表地址、根目錄地址和FAT表占用的扇區數等FAT信息；
②確定文件名稱：查找已存在的波形文件以確定要保存的文件的名稱；
③添加根目錄項：將保存的文件的名稱、大小、位置等添加到根目錄；
④添加FAT表項：查找FAT表的空簇，將新文件的簇號寫入FAT表。

3．1．2 SoPC頂層軟件設計

SoPC的頂層軟件主要完成波形及參數的顯示、運行／停止控制、光標測量、波形窗口移動、保存數據到SD卡等功能。

(1)波形參數顯示。繪制完圖形界面后首先輸出波形信息的固定部分，如Vpp：???mV，其中“???”將在讀取相關參數后更新。然后讀取相關參數并判斷是否變化，若有變化則更新相關顯示，在波形輸出結束后將峰峰值更新到屏幕上。

(2)波形顯示。波形參數顯示完成之后，CPU進入等待狀態，若FIFO寫滿信號為1，則開始讀FIFO數據并顯示波形。流程如圖4所示。

(3)運行／停止控制。波形顯示完后，若讀到stop為1，則等到FIFO寫滿后進入停止狀態。在停止狀態FIFO中的數據保持不變。在停止狀態若檢測到用戶輸入，則執行相應函數。若檢測到stop為0，則清屏，重繪圖形界面，輸出運行圖標，返回到顯示波形狀態。

(4)光標測量。在停止狀態若檢測到光標測量為1，則進入光標測量狀態。首先將2個光標的y軸坐標轉換為實際電壓值輸出到LCD，然后計算2個光標電壓的差值輸出到LCD上的相應位置處。再根據分頻系數將2個光標的x軸差值轉換為實際的時間，輸出到LCD。最后繪制2個十字光標，每個光標由一橫一縱2條直線構成，其交點位于波形上。

光標繪制完成后檢測用戶按鍵，如果有左右移動或光標切換按鍵操作，則對相應光標的x坐標做加減運算，然后從緩沖區重新讀取波形輸出到LCD，將之前的信息覆蓋，接著再次調用光標繪制函數繪制新的光標位置和光標的信息。流程如圖5所示。

(5)將波形保存到SD卡。在停止狀態若檢測到保存按鍵輸入，則將數據保存到SD卡。首先在FAT表中查找空簇，返回簇號，并在FAT表中標記該簇已被占用，同時更新FAT表。然后在根目錄中查找已存在的DAT文件，若有DAT文件則返回最大的文件名，否則返回0。然后將緩沖區的數據寫入SD卡的對應扇區，扇區地址=根目錄地址+根目錄大小+(簇號-2)×每簇的扇區數。接著在根目錄中找到一個空閑項，將文件名稱、大小、所在簇寫入該項，即完成文件的保存。最后在LCD上輸出相應的提示信息。流程如圖6所示。

(6)波形顯示窗口的移動。在停止狀態若檢測到左右移動輸入，則進行波形顯示窗口的移動。當左／右鍵按下時，若窗口沒超過FIFO邊界，則將窗口的首地址左／右移2個像素，然后更新顯示的窗口，同時按比例更新窗口指示器的位置。

(7)波形文件格式。用于保存波形的文件使用8．3格式命名，名稱為OSC_xxxx．DAT，其中xxxx為文件的編號。由于每次采集的波形數據量大小相同，因此文件的大小也為固定值。FIFO深度為256 B，添加觸發電平、觸發沿、時間刻度等信息后，文件的體積為260 B。由于磁盤的底層讀寫操作是按照扇區進行的，一個扇區512 B，所以將文件的大小定義為512 B。前256 B為波形數據，第257 B為觸發沿信息，第258 B為觸發電平信，第259 B，260 B為分頻系數，通過軟件轉換后可得時間刻度的大小。

4 PC機軟件設計

PC端軟件使用C語言設計。圖形部分使用SDL庫。PC機軟件用于打開示波器保存的波形文件，還原波形信息，并可以進行光標測量。程序首先初始化SDL視頻，然后打開文件讀取260個字節，關閉文件。載入背景圖案，初始化TTF字體。將波形繪制到背景圖案上并計算相關參數輸出到相應位置，繪制兩個光標，等待用戶移動光標。光標移動后重新載入背景和波形并更新相關信息。軟件流程如圖7所示。


5 結語

本文介紹了一種基于SoPC的數字示波器設計，實際測試結果表明，系統完成了數字示波器的基本功能，各部分工作正常，各項指標達到設計要求。在設計過程中采用了FPGA芯片、嵌入式NiosⅡ處理器以及Verilog HDL語言，簡化了電路的設計，提高了靈活性，縮短了設計周期。