简易数字存储示波器实验报告Word格式.docx

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系统工作流程图如下所示：

通过RESET按键初始化，按键选择是否进展采样或是进展其他操作〔如例如波形的演示、调用查看以前存储的波形〕，假设进展采样，那么将采集的数据存储到FPGA置的RAM中，下一步进展是否存储或进展实时数据处理。

假设进展实时数据处理那么可以在LCD显示屏上观察到相应的波形，并且可以对其进展上移、下移、扩展、收缩和测频的处理。

二、实验设计原理

设计总体逻辑思路如下：

系统开场工作时，通过按键选择是否开场检测波形，假设是，那么首先由频率检测器检测频率，然后根据测得的频率选择适当的采样频率。

信号源产生的信号通过A/D采样，采样结果保存在FPGA置的存储器中。

待存储完一帧数据时进展输出到LCD上显示。

待显示100ms后暂停100ms以消除视觉暂留效应，然后准备下一帧数据的存储和显示。

如假设需要存储波形，那么在当前显示的同时，将采样得到的数据送往片外的SDRAM存储，直至存储完毕或者存储容量到达上限。

当需要显示存储波形时，那么将外部SDRAM的数据读进来，送往LCD显示，其原理和实时显示大致一样。

在显示暂停期间，要读取按键情况进展整体控制，比方控制波形是否显示在LCD屏幕上、是否存储、是否显示实时波形还是存储波形、是否上下移动、是否进展时域扩展等。

在实验的验收中，因为缺少信号源的调试，因此A/D采样存储模块未得到验证。

为了展示对LCD显示控制，我们利用FPGA部的ROM进展波形数据预存，通过对ROM读取来模仿外部的AD采样存储。

同时为了演示各种不同的波形〔正弦、方波、锯齿波〕，同样可以通过按键进展选择。

最后我们可以在LCD上观察到稳定的正弦波、锯齿波，方波较差。

三、系统各模块的简单说明

根据上述硬件使用说明图以及实验原理，我们的设计总体有以下几个模块：

1〕分频、测频模块和选择A/D采样速率模块

说明：

FREDEVIDER作为分频器得到所需要的各档采样频率。

同时局部频率分量也在其他模块的计时处使用。

FREQ_COUNT是测频模块，用于测量输入信号的频率。

其根本原理是给一个1s宽的高电平脉冲，在此期间对信号时钟的跳变进展计数，一秒完毕后所得的数据就是信号的频率。

SAMPLERATE模块是为了针对不同频率信号的档位选择不同的采样频率。

为了在LCD上显示适当数量周期的波形，我们将频率设置为12个档位。

最低档位是1~5Hz，采样频率为100Hz，然后是5~10Hz，采样频率为200Hz，然后是10~50Hz，采样频率为1000Hz等等。

以此类推，直到最高档500K~1MHz，采样频率为20MHz。

2〕按键控制模块

说明：

KEYBOARD模块是单片机和FPGA的接口和简单的初步处理，用来控制键盘操作；

各buffer触发器是对按键的记录。

为了防止对按键的重复读入，此处的触发器设置为上升沿触发，这样每次按键只读入一次。

模块图如下所示：

3〕实时波形处理模块

KEY_DEAL模块主要是处理按键，包括对按键的记录和相应的参数计算；

tlc5510模块是对外部超高速A/D采样芯片tlc5540采样得到的实时数据进展采样存储控制的，作用是将采样得到的数据存储在置的RAM，用于实时显示，该RAM容量较小，只用来存储一帧的波形数据。

需要说明的是，tlc5510里面包括一个100ms的计数器，作用是在一帧数据显示完计时100ms等待，用于消除视觉暂留效应。

计时过后，开场下一帧数据的存储显示。

4〕存储波形控制模块

该模块的主要作用是控制存储波形数据的读写操作和送到LCD显示，同时也包括在显示存储波形时对相应按键的处理。

STORE_CTRL模块对存储波形的数据进展采样存储的初步处理；

SDRAM_CTRL模块对外部DRAM进展读写控制。

KEY_DEAL2是用来对按键进展处理，功能类似于实时局部中的KEY_DEAL，只是多了左右波形移位的控制。

5〕LCD控制显示模块

SWITCH_CTRL是用于选择显示实时波形还是存储波形的数据；

LCD_POSITION是用来计算LCD屏幕中即将扫描到的位置；

LCD_DISPLAY是用来进展显示控制的，包括计算是否需要显示和相应的RGB的输出。

6〕PLL锁相环模块

整个系统的工作频率需要大于LCD的扫描频率20M，因为需要在即将得到的扫描点处进展是否需要显示的计算和处理。

我们通过FPGA部配置一个锁相环，以得到80M的时钟。

四、最终实现功能说明

本次实验最后实现了波形频率的测量、波形的稳定显示、波形的上下移位、时域上的伸缩扩展以及置不同波形的选择，完成了设计最初目中的大局部。

和最初的预期相比有一局部没有实现，即外部的A/D采样和保存局部。

同时由于我们使用的系统箱中，所要用到的FPGA-LCD接口引脚与FPGA-单片机接口引脚有复用局部，因此放弃用键盘操作控制系统功能，而是选用八位数码管下方的八个开关进展按键输入。

同时测得频率显示在数码管上。

例如波形选择查看时，得到的正弦波和锯齿波均能很好地展现，而方波却不能得到稳定的波形。

我们认为大致的问题是因为方波局部持续数据都一样，在同一行中需要持续显示多个数据，而数据的处理可能稍微跟不上〔就是说80M仍然不能完全保证时序〕，因此波形不稳定。

另外需要说明的是，左移右移只对存储波形的显示有效，因为在实时显示下，波形总是会一帧一帧的更新，按键没有意义。

在切换到另一种波形显示时，当前波形显示的格式应该回到默认状态，而与之前的设置无关。

同理，当前的按键值也只对当前显示的波形格式有效。

因此实时显示和存储显示的Reset还要受waveform的影响，可参见原理图。

五、实验设计实现功能模块具体分析

以下为本次实验验收时的系统框图：

由于框图比拟大，为方便观看，将其分开观看。

各模块功能具体说明：

1、KEY_DEAL：

主要是处理按键，包括对按键的记录和相应的参数计算。

对于八个按键开关：

KEY1:

RESET键〔高电平有效〕；

KEY2:

波形上移；

KEY3:

波形下移；

KEY4:

波形扩展；

KEY5:

波形缩小；

KEY6:

波形左移〔仅对存储后读取波形有效〕；

KEY7:

波形右移〔仅对存储后读取波形有效〕；

KEY8:

选择例如波形〔通过按键形成一个计数器，1是正弦波，2是方波，3是锯齿波，0没有〕。

八个数码管中前三个是显示频率测量值的有效数字，第四个是显示频率的档位。

显示出来的频率档位只设置为两个，小于1K的为第一档，1K~1M的是第二档。

第一档显示百、十、个三位，二档显示百千、十千、千三位，所以有效数字有限。

对于按键根本是以触发器的形式保存的〔在keydeal部可以看出，同时对于需要计数的key值是每记住一次就去除一次，防止下次误读入，而对于waveform那么无所谓，因为是持续显示〕。

同时，KEY_DEAL模块负责计算对应于上移、下移时，LCD显示屏上的位置。

其计算原理需要结合下面有关计算LCD横纵坐标来看。

对于上移和下移，只需要根据按键值改变基准位置就可以了，比方每上移一次，基准行值减小“1111〞，即15，往下移动那么基准行值加上“1111〞。

当然这里有位移限制值，当移动到最值时便不可进展操作。

对该模块的功能进展简单仿真。

本次仿真假使UP=1，即使波形上移，仿真波形如下：

2、FREQDEVIDER：

对系统时钟进展分频，得到本实验设计所需的各种采样频率。

本模块设计无难度，主要就是分频程序的编写。

以下为仿真波形：

输入为CLKIN，输出为各个分频信号CLKOUT1-11。

〔由于截图问题，后面周期很大的波形没有表示出来。

〕

3、FREQ_COUNT：

对信号进展频率测量。

对于信号频率的测量，主要思想是通过输入一个1s的脉冲〔由20k频率的时钟计数20000得到1s，其中20k的时钟频率由分频器得到〕，在这1s对待测信号进展计数，等同于过零点测频，1s后得到的数据就是待测信号的频率。

4、WAVE_CHOOSE：

用于选择需要显示的波形，分别是零、正弦波、方波、锯齿波。

00，01,10,11分别对应无波形输出、正弦波输出、锯齿波输出和方波输出。

5、DATA_CHOOSE：

根据WAVE_CHOOSE，从三个ROM中进展波形数据选择输出。

6、RAM_ADDR：

用来设置计算读取ROM地址的，包括步长的选择。

对于波形的扩展和收缩，需要通过此模块实现。

其设计思路如下：

如果将ROM中的数据每隔两个点读一次，那一个周期只要读32个点〔总共64个〕，一个周期在LCD上占的列值为96〔每三个列显示一列〕。

如果要扩展时间波形，那么就将读取地址的步长变为原来的一半，与上面的比拟，就是变为步长是1，那么我一个周期需要显示64个点，总共占据LCD的192列，这样波形就扩展了。

同理，如果要收缩，那么将时间步长增大，这样读取的数据点少，一个周期占的显示列就少，整个屏幕就可以显示更多的周期。

在设计中，是以2倍2倍的关系进展扩展和1/2的关系进展收缩的。

7、LCD_POSITION：

用来计算LCD中即将扫描的位置。

LCD的工作原理是逐点逐行的扫描，扫描的规格是1026*506,但是显示的有效区域是800*480。

对LCD的显示控制输出数据分为三类〔一类为18位的RGB颜色值，一类是扫描时钟，最后一类是数据加载允许DE，即DATAENABLE〕。

因此控制的原理是需要知道LCD现在扫描到什么地方，当到达需要显示的位置时，输出恰当的RGB值或者令DE=1。

LCD_POSITION模块用来计算下一个即将扫描的LCD的位置，输出为扫描位置的两个坐标参数，即行和列。

当LCD屏幕作为示波器显示屏幕时，可将LCD横轴作为时间轴，纵轴作为幅值轴。

在横轴上，每隔一个点取一个显示〔这样的好处是需要的采样数据少，同时可以只显示几个波形，而不至于显的太拥挤，不然LCD上的点会比拟密集〕。

对于纵轴，因为要代表幅值，一个很直观的策略就是待显示的点与基准零点〔取为368行，因为显示中心是240行，幅值最大256，上下折半就是128，那么最地点的位置就是240+128=368〕之间的行差值就是数字信号的幅度。

所以在要显示的时候，首先从LCD_POSITION中读出下一个要显示的点，然后将列值作为ROM的地址〔列值的低几位，因为整个屏幕要显示几个周期的波形〕，读出信号的幅值数据，将它与即将显示的行值相加，再和基准线比拟，如果相等，就说明这是我们要显示的点，否那么就不是，通过此来选择RGB的数值。

因为数据处理需要一些时间，从ROM中读出数据也需要时间，因此设置处理时钟和读写数据时钟的速度为80M，而LCD的扫描显示是20M，这样可以保证在下一个显示点真正显示的时候，数据已经处理好，到底要不要显示已经决定好了。

80M的时钟是通过20M的时钟经过锁相环〔PLL0〕实现的。

8、LCD_SHOW：

用来进展显示控制的，包括计算是否需要显示和RGB的输出。

对于LCD的显示，我们的处理方法是，在有效的显示区域〔800*480〕始终令DE='

1'

，在不需要显示的点设置RGB全1，显示出的是白色，在要显示点的局部，设置显示蓝色〔蓝白比照色差比拟大，便于观察〕。

需要显示的位置是通过如下方法实现的：

该模块有一个输入L_POSITION，作为波形的基准行。

该输入是从KEY_DEAL中得到的，主要是处理按键对波形控制的上下移动。

在每次读入下次即将扫描到的点时，首先根据读入的列数看是否为偶数列，如果是〔每两列显示一个点〕，那么用即将扫描到的行值减去基准行值L_POSITION，将差值与从ROM中读入的代表幅值的数据相比拟，如果相等，那么下一个点需要显示对应的图样，输出RGB为蓝色，否那么输出白色。

在KEY_DEAL中，上下移动的按键对输出L_POSITION进展调整，如果上移，那么将L_POSITION的值减小“1111〞，即15，否那么加上“1111〞。

如此便可实现波形整体的上下移动。

9、ROM1、ROM2和ROM3：

存储上述三种波形一个周期的数据。

此局部的设计无难点，主要就是将相关数据按照采样原理存入RAM中。

六、实验未实现功能分析说明及问题分析

本次实验中，对波形进展采样并且存储到外围RAM中进展存储这一功能没有验证。

但我们的设计思路是这样的：

A/D采样模块，由于实验室当时没有相关的信号发生器，故验收时无法验证，A/D采样整个工作的流程为加载信号Reset之后，先对信号进展频率测量，在测得频率之后〔一秒多一点点的时间〕，选择采样的频率〔外部的AD采样时钟始终为20M的高速采样〕，但是抽样存储的时钟是由信号时钟的频率进展选择的。

设置为12个档位，1~5，采样频率为100，5~10，采样频率为200，10~50，采样频率为1000。

以此类推，直到最高档500K~1M，采样频率为20M。

而对于存储波形，为了方便显示，和LCD同步，存储的地址也是每隔三个取一个，而我们打算使用的有效显示列数为600，就是要显示200个数据。

实际中我们存储400个数据〔存储地址就到达1200〕，这是为了在扩展、收缩波形时有数据可以显示〔不然收缩一下可以显示的局部只剩下一半了〕。

当存储完毕，送一个标志位给LCD的显示控制局部，准备显示。

当可以显示时，我们开场利用和现验收程序中几乎一样的方法从RAM中读取数据进展显示〔注意此时RAM停顿写入数据〕，共显示100ms〔LCD_DISPLAY里有一个计数器，这是为了保持波形的稳定〕。

由于在20M的扫描时钟下，扫描一次完整的屏幕需要的时间是20000000/1026/506，大约是26ms，所以100ms可以扫描不到四遍，即可显示四次波形，当然，由于视觉暂留效应〔1s24幅图即可〕，我们看到的是稳定持续的波形。

在显示一百秒后，我们需要进展下一帧数据的存储〔这里LCD的显示是一帧一帧的，不可能实时同步显示，同样是由于视觉暂留效应〕。

为了消除上一帧数据显示的影响，我们在显示完100ms后再等待100ms〔tlc5510中可以看出〕，然后进展新一轮的实时数据存储，存储完再进展显示，如此重复下去。

当需要存储波形的时候，我们一边一帧一帧的实时显示数据，同时也进展数据的存储，存储到芯片上附带的DRAM中。

同样，需要根据DRAM的大小设置存储时限，超过时限就不再存储。

这个时限是根据采样速率的变化而变化的。

当需要显示存储的波形时，我们就利用类似的方法处理SDRAM，但是和实时显示不同的地方在于：

因为LCD大小有限，一次只显示200个点，因此在不进展选择时，我们只显示当前的200个点，这个以基准的读地址为根底。

只当按一下向左或向右键时，那么进展下一帧或者前一帧的显示，对应的处理方法是使基准的读地址加上或减去600〔200个点〕，同样的，要注意的围问题。

参数MAX_ADDR就是防止一直向右到没有数据可读。

每次在显示完毕一次后〔即显示100ms之后〕，不仅要计时100ms然后读取新数据，还要对按键值进展处理，以便做出相应的反响。

这在KEY_DEAL中可以看出，因为处理是在READ_DONE的上升沿进展的，这样做的好处是使波形可以稳定的显示，同时也可以保证波形随着控制尽快的变化〔大概200ms的时延，几乎感觉不到，且正常情况下，连续按键两次的间隔要大于200ms〕。

七、实验硬件分配及总体仿真波形。

由于验收时我们未能进展拍照保存展示，所以事后我们只能通过SignalTapⅡ对ROM里的数据进展读出仿真，其中正弦波波形图如下所示：

关于实验箱硬件说明和引脚分配说明

采用实验箱上部提供的CLK0作为20M的系统时钟。

待测信号的时钟用的是CLK5。

八个数码管工作模式5。

数码管前四个用作频率测得值的显示，前三位显示信号频率的三个有效数字，第四位显示档位。

需要注意的是这里涉及频率计数器的细节〔见上分析〕。

按键选用数码管下的八个开关〔因单片机和FPGA引脚有复用，故放弃键盘模块〕。

实验箱各控制引脚说明：

正负15V的电源翻开，LCD与FPGA的接口引脚全部打到ON〔即连接状态〕，工作模式选在模式5。