基于FPGA的簡易手持式示波器設計

孫緒福

摘 要 本文設計的簡易手持式示波器是基于FPGA應用技術，以PCF8951為數(shù)據(jù)采集前端。通過內(nèi)建RAM進行對采集數(shù)據(jù)的存儲以及波形的顯示。利用有限狀態(tài)機實現(xiàn)對不同狀態(tài)之間的轉換，最后顯示在ST7735液晶顯示屏上。本設計最大的特點是所用器件都為低功耗、低成本、小體積的器件，能夠?qū)崿F(xiàn)手持式設計。通過在開發(fā)板上的測試結果表明，該設計能夠?qū)崿F(xiàn)示波器的基本功能，且大大降低成本及減少體積。

【關鍵詞】FPGA 示波器 PCF8591 有限狀態(tài)機

示波器是一種應用十分廣泛的電子測量儀器，能夠方便地測量各種不同的波形。但是傳統(tǒng)的模擬示波器具有體積大、成本高、攜帶不方便等缺點，因而使得許多電子實驗限制在了實驗室中進行。由于這種局限性推動了示波器朝著微型化、簡單化、廉價化的方向發(fā)展。對于精度要求不是特別高的情況下，生產(chǎn)出一款便攜手持式的低成本數(shù)字示波器將會有很大的需求和市場價值。由此本文提出一種簡單手持式示波器設計方案，基于FPGA應用技術，實現(xiàn)了對信號的實時顯示，以及具有調(diào)節(jié)掃描速度和垂直靈敏度的功能。本設計方案均采用體積小、成本低的元器件進行設計，在保證一定精度的前提下大大減小體積以及降低成本。在簡易的電子實驗中此設計能夠發(fā)揮重要的作用。

1 系統(tǒng)設計

數(shù)字示波器是由取樣存儲、系統(tǒng)控制和讀出顯示三大部分組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線相互聯(lián)系和交換信息，以完成各種測量功本次設計采用萊迪思LCMX02-4000HC芯片，通過將外部輸入模擬信號經(jīng)過PCF8591芯片進行A/D轉換，將轉換后的數(shù)據(jù)根據(jù)旋轉編碼器EC11設定的觸發(fā)條件以及采樣頻率，篩選出符合條件的數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)送入RAM中保存。當RAM存滿后，狀態(tài)切換至讀RAM狀態(tài)，通過對ST7735顯示屏的初始化以及對RAM中數(shù)據(jù)的適當操作后，將信息呈現(xiàn)至屏幕上，以實現(xiàn)示波器的基本功能。此外，還設置了復位按鍵以實現(xiàn)示波器的復位功能。本次設計主要包括FPGA邏輯控制模塊、A＼D數(shù)模轉換模塊、觸發(fā)條件及采樣頻率調(diào)節(jié)模塊、RAM的讀寫控制模塊、液晶顯示模塊圖1所示，為本次設計的總體示意圖。

1.1 A/D轉換模塊

由于本設計旨在設計低成本、便攜式示波器，對轉換速度、轉換精度要求相對降低，故采用8位串行輸出A/D轉換芯片進行A/D轉換模塊。綜合對各A/D轉換芯片的比較后，本設計采用恩智浦半導體公司生產(chǎn)的具有8位CMOS數(shù)模轉換芯片PCF8591以實現(xiàn)對輸入信號的采樣。該芯片們具有單獨供電、低功耗的特點，在2.5V～6V的工作電壓內(nèi)，采樣速率取決于I2C總線的速度，在標準速度下可達100kbps，能夠?qū)崿F(xiàn)本設計對采樣速度的要求。此外，它同時具有4路模擬輸入端及1路輸出端，可編程為單端或差分輸入，3個地址引腳A0、A1和A2用于編輯硬件的地址，允許同時將多個器件接至總線本設計中采用超小型SOP-16貼片式封裝以減少器件所用面積，有利于實現(xiàn)便攜式攜帶的要求。綜合以上特點，該芯片適用于本次關于簡易手持式示波器的設計，能滿足各項指標要求。A/D轉換模塊程序的編寫，主要采用設計有限狀態(tài)機（FSM），通過對不同狀態(tài)的計數(shù)，實現(xiàn)在初始化、開始、寫指令、讀數(shù)據(jù)、結束狀態(tài)之間的轉換。圖2所示為A/D轉換模塊的原理圖，其中模擬信號的輸入，通過連接母座以送入芯片模擬輸入端。

1.2 觸發(fā)條件及頻率調(diào)節(jié)模塊

考慮到輸入信號頻率及幅值的不同，在本設計中可以實現(xiàn)對采樣頻率以及觸發(fā)條件的改變。鑒于旋轉操作的簡易性，本設計采用ALPS常用金屬軸編碼器EC11實現(xiàn)對采集頻率以及觸發(fā)幅值的調(diào)節(jié)，通過對編碼器的左右旋轉實現(xiàn)增大與縮小的功能。EC11編碼器屬于小型高精度旋轉式編碼器，15脈沖30定位，20脈沖20定位的高分辨率，適用于微小電流回路的電子設備其上還帶有0.5mm按壓開關，在本設計中用于切換采樣頻率調(diào)節(jié)模式和觸發(fā)調(diào)節(jié)模式。

頻率調(diào)節(jié)通過旋轉編碼器的左右旋轉，改變采樣計數(shù)值的大小，以實現(xiàn)頻率的改變。以計數(shù)標志cnt_sample為例，初始設定cnt_sample為5，即每5個采樣點放進一次RAM當中用以之后顯示。當左旋一次后，設定cnt_sample自加1，則每6個采樣點放進RAM當中，右旋反之，由此實現(xiàn)了示波器采樣頻率的增大。

觸發(fā)幅值調(diào)節(jié)通過旋轉編碼器的左右旋轉，改變觸發(fā)邊界條件的大小，從而實現(xiàn)對不同信號觸發(fā)條件的改變。以幅值為1.5V的正弦波為例，若觸發(fā)條件設置為2V，則始終無法達到觸發(fā)條件，可以通過旋轉編碼器改變觸發(fā)條件，以獲取完整的信號波形。同時為避免始終無波形顯示的情況，本設計中通過設定計數(shù)環(huán)節(jié)，若連續(xù)16次未有滿足觸發(fā)條件的信號，則設置為已滿足觸發(fā)條件，實現(xiàn)對波形的顯示。此外，觸發(fā)條件的設置，還具有穩(wěn)定波形的作用，由于A/D轉換時時進行，若要保證波形的穩(wěn)定以及顯示時無視覺殘留，可以通過設定合適的觸發(fā)條件，當滿足觸發(fā)條件后，才將采樣數(shù)據(jù)保存至對應RAM中，以達到穩(wěn)定波形的作用。圖3所示為本次設計中旋轉編碼器的原理圖。

1.3 RAM的讀寫控制模塊

由于A/D采集信號的保存以及LCD顯示數(shù)據(jù)的讀取共用同一個RAM，我們通過設立不同的標志位，來確定進行A/D轉換數(shù)據(jù)存RAM操作還是將RAM中數(shù)據(jù)輸出顯示至液晶屏操作。

當進行存RAM操作時，信號經(jīng)過A/D轉換輸出8位二進制數(shù)據(jù)后，由于本此設計所采用的LCD顯示為128*160RGB三色顯示，數(shù)據(jù)存儲深度為128，我們可以將經(jīng)A/D轉換后的8位二進制數(shù)左移一位，使采集數(shù)據(jù)范圍為0 ～127，恰能滿足數(shù)據(jù)存儲要求。當滿足觸發(fā)條件后，根據(jù)采樣條件，將符合條件的數(shù)據(jù)讀入RAM中直至存滿160個數(shù)據(jù)。此時RAM中儲存的就是采集到的信號。

當進行讀RAM操作時，為了起到顯示波形的效果，我們將RAM中除了采集到的160個數(shù)據(jù)外全部設置為黑色顯示，將信號設置為白色顯示，由此我們可以實現(xiàn)在顯示屏上看到白色的波形。圖4所示，為本次設計中RAM中數(shù)據(jù)部分示意。

1.4 LCD顯示模塊

本次設計采用ST7735液晶屏，具有132（H）*RGB*162（V）位大小的RAM，在本次設計中，數(shù)據(jù)保存至128*160，剩余的部分作為邊緣顯示，以更好地實現(xiàn)示波器的顯示效果。該顯示屏具有紅、綠、藍三色，可以根據(jù)對這三種色彩的16位二進制數(shù)據(jù)進行調(diào)配實現(xiàn)其它色彩的顯示，例如本次設計中白色16hffff以及黑色16h0000為了達到更好的顯示效果，本設計采用豎屏顯示。由數(shù)據(jù)手冊，我們可以得到驅(qū)動該器件的指令，利用有限狀態(tài)機實現(xiàn)對命令的寫入以及對RAM中數(shù)據(jù)的讀入。當RAM中數(shù)據(jù)顯示結束后，狀態(tài)切換至存RAM操作。圖5所示為本次設計中LCD模塊顯示原理圖。

2 程序設計

本次程序采用Verilog語言進行編輯使用Lattice diamond設計軟件進行綜合與調(diào)試。頂層模塊設計主要包括A/D轉換模塊、讀寫選擇模塊、采樣頻率調(diào)節(jié)模塊、觸發(fā)條件設置模塊、LCD顯示模塊以及LCD讀寫RAM模塊。關于輸入輸出端口及頂層模塊和各模塊的關系描述如下：

module Oscilloscope //示波器模塊

（

input clk， //時鐘輸入

input rst， //復位按鍵

input encode_left， //旋轉編碼器左旋

input encoder_right， //旋轉編碼器右旋

input encoder_key， //按下旋轉編碼器

inout ad_sda， //PCF8591數(shù)據(jù)端

output ad_scl， //PCF8591時鐘端

output lcd_rst， //LCD復位端

output lcd_bl， //LCD背光設置端

output lcd_dc， //LCD的D/C端

output lcd_clk， // LCD顯示SPI時鐘

output lcd_data // RAM讀寫數(shù)據(jù)端口

）；

wire sample_en； //取樣使能信號

wire sample_finish； //取樣完成標志

wire display_en； //顯示使能信號

wire display_finish； //顯示完成標志

wire ad_finish； //ad轉換完成標志

wire [7：0] ad_data； //8位串行數(shù)據(jù)

wire [7：0] trigger； //觸發(fā)條件

wire wr_clock； //RAM寫時鐘

wire [7：0] wr_add； //RAM寫地址

wire [131：0] ram_ad； //RAM中寫對應AD轉換數(shù)據(jù)

wire re_clock； //RAM讀時鐘

wire [7：0] re_add； //RAM讀地址

wire [131：0] ram_lcd； //RAM中LCD讀數(shù)據(jù)

Mode_choosemode_choose //選擇進行顯示/讀數(shù)據(jù)模塊

（

.clk （clk ）， //系統(tǒng)時鐘

.rst （rst ）， //復位按鍵

.display_finish （display_finish ）， //顯示完成標志

.sample_finish （sample_finish ）， //采樣完成標志

.sample_en （sample_en ）， //采樣使能標志

.display_en （display_en ） //顯示使能標志

）；

AD_conversionad_conversion //A/D轉換模塊

（

.clk （clk ）， //系統(tǒng)時鐘

.rst （rst ）， //復位按鍵

.ad_scl （ad_scl ）， //AD轉換控制時鐘

.ad_sda （ad_sda ）， //AD轉換數(shù)據(jù)端

.ad_finish （ad_finish ）， //AD轉換完成標志

.ad_data （ad_data ） //數(shù)據(jù)存儲寄存器

）；

Parameter_setparameter_set //參數(shù)設置模塊

（

.clk （clk ）， // 系統(tǒng)時鐘

.rst （rst ）， //復位按鍵

.encode_left （encode_left ）， // 左旋標志

.encode_right （encode_right ）， // 右旋標志

.encode_key （encode_key ）， // 按鍵標志

.trigger （trigger ）， //觸發(fā)條件設置

.ad_finish （ad_finish ） //AD轉換完成標志

）；

AD_SampleAD_sample //AD存RAM模塊

（

.clk （clk ）， // 系統(tǒng)時鐘

.rst （rst ）， //按鍵復位

.ad_finish （ad_finish ）， //AD轉換完成標志

.ad_data （ad_data ）， //AD轉換后數(shù)據(jù)

.trigger （trigger ）， //觸發(fā)條件

.sample_en （sample_en ）， //采樣使能標志

.sample_finish （sample_finish ）， //采樣完成標志

.wr_clock （wr_clock ）， //RAM寫時鐘

.wr_add （wr_add ）， //RAM寫地址

.ram_data （ram_data ） //RAM中數(shù)據(jù)

）；

LCD_DisplayLCD_display //LCD顯示模塊

（

.clk （clk ）， //系統(tǒng)時鐘

.rst （rst ）， //按鍵復位

.trigger （trigger ）， //觸發(fā)條件

.display_en （display_en ）， //顯示使能標志

.display_finish （display_finish ）， //顯示完成標志

.re_clock （re_clock ）， //RAM讀時鐘

.re_add （re_add ）， //RAM讀地址

.ram_data （ram_data ）， //RAM中數(shù)據(jù)

.lcd_rst （lcd_rst ）， //LCD復位

.lcd_bl （lcd_bl ）， //LCD背光控制

.lcd_dc （lcd_dc ）， //LCD的DC端

.lcd_clk （lcd_clk ）， // LCD傳輸SPI的時鐘

.lcd_data （lcd_data ） // LCD數(shù)據(jù)端

）；

endmodule

采用Verilog語言進行電路設計，能夠在每個抽象層次的描述上對設計進行仿真設計，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的設計錯誤，能夠有效縮短設計周期，并保證設計過程中的正確性，以此實現(xiàn)我們最終的設計。

3 設計驗證

通過在開發(fā)板上的測試結果表明，雖然LCD液晶顯示模塊的分辨率較低，但依然可以實現(xiàn)示波器的基本功能，特別是對于頻率不太高的模擬信號，能夠在屏幕上清晰地顯示波形對應的像素點。此外，通過調(diào)節(jié)旋轉編碼器，也實現(xiàn)了預定的切換模式、調(diào)節(jié)采樣頻率及改變觸發(fā)條件的功能。通過Lattice diamond自帶的仿真軟件測試得出本次設計運算速度較快，頻率顯示較為準確，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀取。本設計方案具有簡單易操作的特點，此外還具有體積小、功耗低、成本低的優(yōu)點。由于FPGA并行執(zhí)行的特點，大大提高了系統(tǒng)的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)手持式設計同時能滿足基礎電子實驗的需求。此外，本次設計的示波器綜合成本相對于市場銷售的手持式示波器大大降低，便于推廣，有較大的市場價值和實用價值。

4 結論

本設計利用FPGA、A/D轉換芯片、LCD液晶顯示器、旋轉編碼器實現(xiàn)了對輸入模擬信號的采樣、存儲以及波形的顯示功能，并增添了調(diào)節(jié)采樣頻率及觸發(fā)條件的功能，實現(xiàn)了對簡易手持式示波器的設計。通過驗證得出本設計具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度及較高的精度，能夠滿足日常的電子相關測量需求。本設計的低成本與小型化能夠?qū)崿F(xiàn)廉價手持式示波器的廣泛化應用。此外，也可通過使用12位、16位并行A/D轉換芯片以提高本設計的精度與速度，利用更高分辨率的LCD顯示以實現(xiàn)對本設計的更高要求。

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