1、所以我们所需要设计部分便是A/D采样控制接口模块、 键盘控制接口模块、 存放器读写控制模块、 LCD控制接口模块和LCD显示模块。系统工作步骤图以下所表示:经过RESET按键初始化, 按键选择是否进行采样或是进行其她操作（如示例波形演示、 调用查看以前存放波形）, 若进行采样, 则将采集数据存放到FPGA内置RAM中, 下一步进行是否存放或进行实时数据处理。若进行实时数据处理则能够在LCD显示器上观察到对应波形, 而且能够对其进行上移、 下移、 扩展、 收缩和测频处理。二、 试验设计原理设计总体逻辑思绪以下: 系统开始工作时, 经过按键选择是否开始检测波形, 若是, 则首先由频率检测器检测频率
2、, 然后依据测得频率选择合适采样频率。信号源产生信号经过A/D采样, 采样结果保留在FPGA内置存放器中。待存放完一帧数据时进行输出到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存放和显示。如若需要存放波形, 则在目前显示同时, 将采样得到数据送往片外SDRAM存放, 直至存放结束或者存放容量达成上限。当需要显示存放波形时, 则将外部SDRAM数据读进来, 送往LCD显示, 其原理和实时显示大致相同。在显示暂停期间, 要读取按键情况进行整体控制, 比如控制波形是否显示在LCD屏幕上、 是否存放、 是否显示实时波形还是存放波形、 是否上下移动、 是否进行
3、时域扩展等。在试验验收中, 因为缺乏信号源调试, 所以A/D采样存放模块未得到验证。为了展示对LCD显示控制, 我们利用FPGA内部ROM进行波形数据预存, 经过对ROM读取来模仿外部AD采样存放。同时为了演示多种不一样波形（正弦、 方波、 锯齿波）, 一样能够经过按键进行选择。最终我们能够在LCD上观察到稳定正弦波、 锯齿波, 方波较差。三、 系统各模块简单说明 依据上述硬件使用说明图以及试验原理, 我们设计总体有以下多个模块: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各档采样频率。同时部分频率分量也在其她模块计时处使用。FREQ_COUNT
4、是测频模块, 用于测量输入信号频率。其基础原理是给一个1s宽高电平脉冲, 在此期间对信号时钟跳变进行计数, 一秒结束后所得数据就是信号频率。SAMPLERATE模块是为了针对不一样频率信号档位选择不一样采样频率。为了在LCD上显示合适数量周期波形, 我们将频率设置为12个档位。最低级位是15Hz, 采样频率为100Hz, 然后是510Hz, 采样频率为200Hz, 然后是1050Hz, 采样频率为1000Hz等等。以这类推, 直到最高级500K1MHz, 采样频率为20MHz。2）按键控制模块 说明: KEYBOARD模块是单片机和FPGA接口和简单初步处理, 用来控制键盘操作; 各buffe
5、r触发器是对按键统计。为了预防对按键反复读入, 此处触发器设置为上升沿触发, 这么每次按键只读入一次。模块图以下所表示:3）实时波形处理模块 KEY_DEAL模块关键是处理按键, 包含对按键统计和对应参数计算; tlc5510模块是对外部超高速A/D采样芯片tlc5540采样得到实时数据进行采样存放控制, 作用是将采样得到数据存放在内置RAM内, 用于实时显示, 该RAM容量较小, 只用来存放一帧波形数据。 需要说明是, tlc5510里面包含一个100ms计数器, 作用是在一帧数据显示完计时100ms等候, 用于消除视觉暂留效应。计时过后, 开始下一帧数据存放显示。4）存放波形控制模块 该模
6、块关键作用是控制存放波形数据读写操作和送到LCD显示, 同时也包含在显示存放波形时对对应按键处理。STORE_CTRL模块对存放波形数据进行采样存放初步处理; SDRAM_CTRL模块对外部DRAM进行读写控制。KEY_DEAL2是用来对按键进行处理, 功效类似于实时部分中KEY_DEAL, 只是多了左右波形移位控制。 5）LCD控制显示模块 SWITCH_CTRL是用于选择显示实时波形还是存放波形数据; LCD_POSITION是用来计算LCD屏幕中立即扫描到位置; LCD_DISPLAY是用来进行显示控制, 包含计算是否需要显示和对应RGB输出。6）PLL锁相环模块 整个系统工作频率需要大
7、于LCD扫描频率20M, 因为需要在立即得到扫描点处进行是否需要显示计算和处理。我们经过FPGA内部配置一个锁相环, 以得到80M时钟。四、 最终实现功效说明此次试验最终实现了波形频率测量、 波形稳定显示、 波形上下移位、 时域上伸缩扩展以及内置不一样波形选择, 完成了设计最初目中大部分。和最初预期相比有一部分没有实现, 即外部A/D采样和保留部分。同时因为我们使用系统箱中, 所要用到FPGA-LCD接口引脚与FPGA-单片机接口引脚有复用部分, 所以放弃用键盘操作控制系统功效, 而是选择八位数码管下方八个开关进行按键输入。同时测得频率显示在数码管上。示例波形选择查看时, 得到正弦波和锯齿波均
8、能很好地展现, 而方波却不能得到稳定波形。我们认为大致问题是因为方波中大部分连续数据都一样, 在同一行中需要连续显示多个数据, 而数据处理可能稍微跟不上（就是说80M仍然不能完全确保时序）, 所以波形不稳定。另外需要说明是, 左移右移只对存放波形显示有效, 因为在实时显示下, 波形总是会一帧一帧更新, 按键没有意义。在切换到另一个波形显示时, 目前波形显示格式应该回到默认状态, 而与之前设置无关。同理, 目前按键值也只对目前显示波形格式有效。所以实时显示和存放显示Reset还要受waveform影响, 可参见原理图。五、 试验设计实现功效模块具体分析 以下为此次试验验收时系统框图:因为框图比较
9、大, 为方便观看, 将其分开观看。各模块功效具体说明:1、 KEY_DEAL: 关键是处理按键, 包含对按键统计和对应参数计算。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（仅对存放后读取波形有效）;KEY7:波形右移（仅对存放后读取波形有效）;KEY8:选择示例波形（经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有效数字, 第四个是显示频率档位。显示出来频率档位只设置为两个, 小于1K为第一档, 1K1M是第二档。第一档
10、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。对于按键基础是以触发器形式保留（在keydeal内部能够看出, 同时对于需要计数key值是每记住一次就清除一次, 预防下次误读入, 而对于waveform则无所谓, 因为是连续显示）。同时, KEY_DEAL模块负责计算对应于上移、 下移时, LCD显示器上位置。其计算原理需要结合下面相关计算LCD横纵坐标来看。对于上移和下移, 只需要依据按键值改变基准位置就能够了, 比如每上移一次, 基准行值减小“1111”, 即15, 往下移动则基准行值加上“1111”。当然这里有位移限制值, 当移动到最值时便不可进行操作。对该
11、模块功效进行简单仿真。此次仿真假使UP=1, 即使波形上移, 仿真波形以下:2、 FREQDEVIDER: 对系统时钟进行分频, 得到本试验设计所需多种采样频率。本模块设计无难度, 关键就是分频程序编写。以下为仿真波形:输入为CLKIN, 输出为各个分频信号CLKOUT1-11。（因为截图问题, 后面周期很大波形没有表示出来。）3、 FREQ_COUNT: 对信号进行频率测量。对于信号频率测量, 关键思想是经过输入一个1s脉冲（由20k频率时钟计数0得到1s, 其中20k时钟频率由分频器得到）, 在这1s内对待测信号进行计数, 等同于过零点测频, 1s后得到数据就是待测信号频率。4、 WAVE
12、_CHOOSE: 用于选择需要显示波形, 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: 依据WAVE_CHOOSE, 从三个ROM中进行波形数据选择输出。6、 RAM_ADDR: 用来设置计算读取ROM地址, 包含步长选择。 对于波形扩展和收缩, 需要经过此模块实现。其设计思绪以下: 假如将ROM中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上占列值为96（每三个列显示一列）。假如要扩展时间波形, 那么就将读取地址步长变为原来二分之一, 与上面比较,
13、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LCD192列, 这么波形就扩展了。同理, 假如要收缩, 那么将时间步长增大, 这么读取数据点少, 一个周期占显示列就少, 整个屏幕就能够显示更多周期。在设计中, 是以2倍2倍关系进行扩展和1/2关系进行收缩。7、 LCD_POSITION: 用来计算LCD中立即扫描位置。LCD工作原理是逐点逐行扫描, 扫描规格是1026*506,不过显示有效区域是800*480。对LCD显示控制输出数据分为三类（一类为18位RGB颜色值, 一类是扫描时钟, 最终一类是数据加载许可DE, 即DATAENABLE）。所以控制原理是需要知道LCD现在扫
14、描到什么地方, 当抵达需要显示位置时, 输出合适RGB值或者令DE=1。LCD_POSITION模块用来计算下一个立即扫描LCD位置, 输出为扫描位置两个坐标参数, 即行和列。当LCD屏幕作为示波器显示器幕时, 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（这么好处是需要采样数据少, 同时能够只显示多个波形, 而不至于显太拥挤, 不然LCD上点会比较密集）。对于纵轴, 因为要代表幅值, 一个很直观策略就是待显示点与基准零点（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, 那么最地点位置就是240+128=368）之间行差值就是数
15、字信号幅度。所以在要显示时候, 首先从LCD_POSITION中读出下一个要显示点, 然后将列值作为ROM地址（列值低几位, 因为整个屏幕要显示多个周期波形）, 读出信号幅值数据, 将它与立即显示行值相加, 再和基准线比较, 假如相等, 就表明这是我们要显示点, 不然就不是, 经过此来选择RGB数值。因为数据处理需要部分时间, 从ROM中读出数据也需要时间, 所以设置处理时钟和读写数据时钟速度为80M, 而LCD扫描显示是20M, 这么能够确保在下一个显示点真正显示时候, 数据已经处理好, 到底要不要显示已经决定好了。80M时钟是经过20M时钟经过锁相环（PLL0）实现。8、 LCD_SHOW
16、: 用来进行显示控制, 包含计算是否需要显示和RGB输出。对于LCD显示, 我们处理方法是, 在有效显示区域（800*480）一直令DE=1, 在不需要显示点设置RGB全1, 显示出是白色, 在要显示点部分, 设置显示蓝色（蓝白对比色差比较大, 便于观察）。需要显示位置是经过以下方法实现: 该模块有一个输入L_POSITION, 作为波形基准行。该输入是从KEY_DEAL中得到, 关键是处理按键对波形控制上下移动。在每次读入下次立即扫描到点时, 首先依据读入列数看是否为偶数列, 假如是（每两列显示一个点）, 则用立即扫描到行值减去基准行值L_POSITION, 将差值与从ROM中读入代表幅值数
17、据相比较, 假如相等, 则下一个点需要显示对应图样, 输出RGB为蓝色, 不然输出白色。在KEY_DEAL中, 上下移动按键对输出L_POSITION进行调整, 假如上移, 则将L_POSITION值减小“1111”, 即15, 不然加上“1111”。如此便可实现波形整体上下移动。9、 ROM1、 ROM2和ROM3: 存放上述三种波形一个周期数据。此部分设计无难点, 关键就是将相关数据根据采样原理存入RAM中。六、 试验未实现功效分析说明及问题分析此次试验中, 对波形进行采样而且存放到外围RAM中进行存放这一功效没有验证。但我们设计思绪是这么:A/D采样模块, 因为试验室当初没有相关信号发生
18、器, 故验收时无法验证, A/D采样整个工作步骤为加载信号Reset以后, 先对信号进行频率测量, 在测得频率以后（一秒多一点点时间）, 选择采样频率（外部AD采样时钟一直为20M高速采样）, 不过抽样存放时钟是由信号时钟频率进行选择。设置为12个档位, 15, 采样频率为100, 510, 采样频率为200, 1050, 采样频率为1000。以这类推, 直到最高级500K1M, 采样频率为20M。而对于存放波形, 为了方便显示, 和LCD同时, 存放地址也是每隔三个取一个, 而我们计划使用有效显示列数为600, 就是要显示200个数据。实际中我们存放400个数据（存放地址就达成1200）,
19、这是为了在扩展、 收缩波形时有数据能够显示（不然收缩一下能够显示部分只剩下二分之一了）。当存放完成, 送一个标志位给LCD显示控制部分, 准备显示。当能够显示时, 我们开始利用和现验收程序中几乎一样方法从RAM中读取数据进行显示（注意此时RAM停止写入数据）, 共显示100ms（LCD_DISPLAY里有一个计数器, 这是为了保持波形稳定）。因为在20M扫描时钟下, 扫描一次完整屏幕需要时间是20 000 000/1026/506, 大约是26ms, 所以100ms能够扫描不到四遍, 即可显示四次波形, 当然, 因为视觉暂留效应（1s24幅图即可）, 我们看到是稳定连续波形。在显示一百秒后,
20、我们需要进行下一帧数据存放（这里LCD显示是一帧一帧, 不可能实时同时显示, 一样是因为视觉暂留效应）。为了消除上一帧数据显示影响, 我们在显示完100ms后再等候100ms（tlc5510中能够看出）, 然后进行新一轮实时数据存放, 存放完再进行显示, 如此反复下去。当需要存放波形时候, 我们一边一帧一帧实时显示数据, 同时也进行数据存放, 存放到芯片上附带DRAM中。一样, 需要依据DRAM大小设置存放时限, 超出时限就不再存放。这个时限是依据采样速率改变而改变。当需要显示存放波形时, 我们就利用类似方法处理SDRAM, 不过和实时显示不一样地方在于: 因为LCD大小有限, 一次只显示20
21、0个点, 所以在不进行选择时, 我们只显示目前200个点, 这个以基准读地址为基础。只当按一下向左或向右键时, 则进行下一帧或者前一帧显示, 对应处理方法是使基准读地址加上或减去600（200个点）, 一样, 要注意范围问题。参数MAX_ADDR就是预防一直向右到没有数据可读。每次在显示完成一次后（即显示100ms以后）, 不仅要计时100ms然后读取新数据, 还要对按键值进行处理, 方便做出对应反应。这在KEY_DEAL中能够看出, 因为处理是在READ_DONE上升沿进行, 这么做好处是使波形能够稳定显示, 同时也能够确保波形伴随控制立刻改变（大约200ms时延, 几乎感觉不到, 且正常情
22、况下, 连续按键两次间隔要大于200ms）。七、 试验硬件分配及总体仿真波形。因为验收时我们未能进行拍照保留展示, 所以事后我们只能经过SignalTap对ROM里数据进行读出仿真, 其中正弦波波形图以下所表示:相关试验箱硬件说明和引脚分配说明采取试验箱上内部提供CLK0作为20M系统时钟。待测信号时钟用是CLK5。八个数码管工作模式5。数码管前四个用作频率测得值显示, 前三位显示信号频率三个有效数字, 第四位显示档位。需要注意是这里包含频率计数器细节（见上分析）。按键选择数码管下八个开关（因单片机和FPGA引脚有复用, 故放弃键盘模块）。试验箱各控制引脚说明: 正负15V电源打开, LCD与FPGA接口引脚全部打到ON（即连接状态）, 工作模式选在模式5。
