基于FPGA和TFT彩屏液晶的便攜示波器設(shè)計

摘要：設(shè)計了以FPGA為核心采集模塊，以單片機(jī)為顯示控制核心，以TFT彩屏液晶為顯示器件的便攜數(shù)字存儲示波器。通過異步FIFO實現(xiàn)了FPGA中高速數(shù)據(jù)流與單片機(jī)處理速度之間的速率匹配。以三總線結(jié)構(gòu)以及控制信號的握手協(xié)議為基礎(chǔ)，保證了FPGA與單片機(jī)通信的有效性和可靠性。該系統(tǒng)具有自動頻率控制(AFC)和自動增益控制(AGC)的功能，可以方便地對信號進(jìn)行測量。
關(guān)鍵詞：FPGA；TFT液晶；異步FIFO；數(shù)字存儲示波器

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)和航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域，由于設(shè)備復(fù)雜度和集成度的不斷增加，在進(jìn)行外場維護(hù)和測試時，通常需要借助于示波器等一些輔助的電子測量儀器來觀察信號的波形并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量。目前，現(xiàn)代化的數(shù)字存儲示波器以其獨特的優(yōu)勢逐步取代了模擬示波器，對信號的測量帶來了很大的便利。然而，外場測試及維護(hù)工作的實際需要對示波器這樣的測量儀器也提出了更多的要求，除了成本的限制以外，在體積、精度、實時性以及使用的靈活性等方面也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。常用的示波器一般體積比較大，成本高，這就使它的應(yīng)用受到了一些限制。在這種情況下，開發(fā)低成本便攜的手持示波器，將會大大提高其應(yīng)用空間，為設(shè)備的外場維護(hù)和測試工作提供更多的便利。
本文針對實際需要，設(shè)計了以FPGA為核心采集模塊，以單片機(jī)為顯示控制核心，以TFT彩屏液晶為顯示器件的便攜數(shù)字存儲示波器。FPGA與高速A／D獲取波形采樣數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)完成彩屏的初始化，合理設(shè)計出單片機(jī)與FPGA通信的總線握手協(xié)議，配合異步FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖模塊，實現(xiàn)了邊采集邊顯示的效果。該系統(tǒng)具有小型化、操作簡單、采樣率高、動態(tài)范圍大、精度高、實時性強(qiáng)和波形顯示效果連續(xù)穩(wěn)定的特點，同時還具有自動頻率控制和自動增益控制的功能，具有很廣闊的應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)組成與工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、核心采集模塊、單片機(jī)處理模塊和液晶外圍電路組成。信號調(diào)理電路由繼電器、增益控制D／A、兩級可變增益放大器AD603和保護(hù)電路組成，主要用于對輸入信號進(jìn)行程控的衰減與放大，使信號在最佳的測量和顯示量程范圍內(nèi)。核心采集模塊以FPGA和高速A／D為核心，實現(xiàn)對信號的高速采樣處理以及與單片機(jī)的通信。單片機(jī)處理模塊接收波形數(shù)據(jù)并控制LCD進(jìn)行譯碼顯示。液晶外圍電路為LCD提供合適的工作電壓，并對液晶模塊與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)組成的總體框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)工作原理
根據(jù)輸入信號電平的范圍，F(xiàn)PGA發(fā)出控制信號控制調(diào)理電路的增益，將信號電平調(diào)整到最佳采集范圍。在FPGA內(nèi)配置兩塊異步FIFO作為采集數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，實現(xiàn)高速采集與單片機(jī)讀取速度之間的匹配。高速A／D在系統(tǒng)時鐘的驅(qū)動下采集波形數(shù)據(jù)，并由FPGA測出信號的電壓和頻率。根據(jù)信號頻率的不同，按照程序的預(yù)設(shè)選擇最佳的時基，控制FIFO的寫時鐘信號，而讀FIFO的時鐘信號則固定不變，這樣就可以在屏幕上得到最適合觀察的信號波形。該系統(tǒng)的量程設(shè)置和時基選擇完全由程序控制，不需要手動設(shè)置就可以自動將信號波形調(diào)整到最佳觀察狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)對輸入信號的程控衰減放大、過壓保護(hù)，信號的采集處理，采集數(shù)據(jù)的傳輸以及單片機(jī)與液晶模塊接口電路等，系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。