基于vga显示的逻辑分析仪显示控制部分毕设论文.docx
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基于vga显示的逻辑分析仪显示控制部分毕设论文
JIUJIANGUNIVERSITY
数字逻辑系统课程设计
题目基于VGA显示的逻辑分析仪
(显示控制部分)
英文题目TheLogicAnalyzerBasedon
VGADisplay(DisplayControl)
摘要
逻辑分析仪是一种有效的、最具代表性的数字逻辑分析仪器,目前得到了广泛的应用,但其昂贵的价格和复杂的操作方式,限制了其在小型实验室或教育机构的使用。
基于台式一体机的设计思想,本文提出了一种采用廉价FPGA实现数字逻辑信号采集,处理,由通用VGA显示器显示数字信号的逻辑分析仪。
VGA显示输出具有兼容性强,显示内容丰富,不需要依靠计算机的优势。
基于一体机的思路,系统硬件分为五大部分,分别为信号输入单元、FPGA核心处理单元、输入控制单元和状态显示单元及VGA接口单元。
分别实现信号的输入整形、采集处理、工作状态显示和显示数据DA转换。
本文采用电阻分压的方式进行色彩信号的DA转换,将二进制RGB数据帧,转换为对应的模拟电压信号。
最终实现多路逻辑信号的采集、处理,最终将波形数据显示于VGA显示器上。
逻辑处理部分,采用EDA自上而下的设计思想,首先,按功能划分模块,分为采样触发控制模块、采样频率控制模块、双口RAM存储模块、波形显示控制模块、VGA显示驱动模块、键盘显示控制模块六个模块;然后,用VHDL语言设计对应的模块,本文详细分析了VGA逐行扫描的工作原理,并最终实现数据的显示;最后,在系统级的层次,将各个模块有机结合在一起,形成了一个具有十路输入,六种触发方式,采样频率可调,使用通用VGA显示器显示的逻辑分析仪。
本设计利用FPGA芯片和EDA设计方法,实现了廉价实用的逻辑分析仪,既能够大大降低成本,又可以满足生产实践中不断变化的需要。
关键词:
VGA;逻辑分析仪;EDA;FPGA
DisplayBasedontheLogicAnalyzerDesign
Abstract
Logicanalyzerisaneffective,mostrepresentativeofdigitallogicdeviceshavebeenwidelyusedatpresent,butitshighpriceandcomplexmodeofoperation,limitedinasmalllaboratoryoreducationalinstitutionuse.
Desktopmachinebasedononedesign,thepaperproposesalow-costFPGAusingdigitallogicsignalacquisition,processing,genericVGAdisplaybythedigitalsignalofthelogicanalyzer.VGAdisplayoutputwiththecompatibility,displayrichcontentanddonotneedtorelyonthecomputer'sadvantage.
Thinkingononemachine,systemhardwareisdividedintofiveparts,namely,thesignalinputunit,FPGAcoreprocessingunit,inputcontrolunitandthestatusdisplayunitandtheVGAinterfaceunit.Respectively,andthesignalisinputshaping,acquisitionandprocessing,workstatus,anddisplaydataDAconversion.ThisresistordividerwiththewaycolorsignalsDAconversion,thebinaryRGBdataframe,convertedtocorrespondinganalogvoltagesignal.Ultimatelymultiplelogicsignalacquisition,processing,waveformdatawilleventuallybeshownontheVGAmonitor.
Logicprocessing,weadopttheEDAdesignfromtoptobottom,first,byfunction,module,triggercontrolmoduleisdividedintosampling,thesamplingfrequencycontrolmodule,dual-portRAMmemorymodules,waveformdisplaycontrolmodule,VGAdisplaydrivermodule,keyboardDisplaycontrolmodule6module;Then,thecorrespondingVHDLlanguagedesignmodule,thepaperanalyzestheworkingprincipleofprogressivescanVGAand,ultimately,thedisplayofdata;Finally,thelevelatthesystemlevel,thecombinationofthevariousmodulesintogethertoforma10-input,sixtrigger,thesamplingfrequencyisadjustableusingtheUniversalVGAdisplaylogicanalyzer.
ThisdesignusingFPGAchipandEDAdesign,cheapandpracticalrealizationofthelogicanalyzer,notonlycangreatlyreducethecostandproductionpracticestomeetchangingneeds.
KeyWords:
VGA;LogicAnalyzer;EDA;FPGA
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1绪论2
1.1VGA的背景2
1.2VGA的发展与应用3
1.3基于VGA显示的逻辑分析仪的优势3
1.4论文的结构4
2基于VGA显示的逻辑分析仪的设计5
2.1总体方案的设计5
2.2硬件设计的方案5
2.3软件设计的方案6
2.4采用的主要技术7
2.4.1FPGA7
2.4.2VHDL语言8
2.4.3QuartusII7.0开发平台9
3系统硬件电路设计10
3.1FPGA最小系统10
3.1.1配置电路10
3.1.2时钟及复位电路11
3.1.3系统电源12
3.2VGA接口电路13
3.2.1VGA接口概述13
3.2.2VGA接口电路设计14
3.3其他外围电路15
3.3.1输入控制电路15
3.3.2状态显示电路16
4系统软件设计17
4.1双口RAM存储模块17
4.2VGA驱动模块18
4.2.1VGA时序19
4.2.2VGA逐行扫描的工作原理19
4.3波形显示控制模块21
4.3.1波形数据存储格式21
4.3.2波形图像显示21
4.4键盘控制显示模块23
4.5其他模块23
5功能调试与测试24
5.1按键输入与显示24
5.2系统测试25
6总结及展望26
参考文献27
致谢28
引言
20世纪70年代初研制出了微处理器,出现4位和8位总线,传统示波器的双通道输入无法满足8bit的观察。
微处理器和存储器的应用需要不同于时域和频域的测试仪器,数域测试仪器——逻辑分析仪应运而生。
逻辑分析仪是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器,主要作用在于时序判定,以直观的形式显示出数字系统的运行情况,以便对数字系统进行分析和故障判断。
按结构划分,逻辑分析仪大致上可分为独立式(或单机型)逻辑分析仪和需结合计算机的PC-based卡式虚拟逻辑分析仪。
独立式逻辑分析仪是将所有的测试软件、运算管理元件以及显示单元,整合在一台仪器之中。
独立式逻辑分析仪功能丰富,使用简便,但价格却比较昂贵。
基于计算机接口的卡式虚拟逻辑分析仪,使用中需要搭配计算机一起使用,显示屏也与主机分开。
虚拟逻辑分析仪虽然以较小的成本提供了相应的性能,但是卡式虚拟逻辑分析仪也有很大缺点,它需要搭配计算机才能使用,操作方式复杂,使虚拟逻辑分析仪的应用难以展开。
在逻辑分析仪的设计开发中,也有一些基于单片机,FPGA或DSP芯片设计的逻辑分析仪,其设计思路,基本上采用的是以虚拟逻辑分析仪的模式进行设计。
由控制端完成数据的采集,将采集到的数据,上传到计算机,由计算机进行处理和显示。
这种设计方案,设计复杂,系统庞大,难以解决系统资源占用多,操作复杂的瓶颈。
另外,逻辑分析仪的一些复杂功能,如位数众多的通道、高级协议触发方式、大存储深度,在一般的应用,如51单片机开发、简单的嵌入式系统学习中,很少用到。
设计一款性能适中,价格便宜,操作方便的逻辑分析仪,成为目前一个实用的研究方向。
VGA显示接口是视频图形阵列(VideoGraphicsArray)接口的简称,是微机系统使用的一种通用显示接口。
对于由嵌入式微处理器构成的图像处理系统来说,采用VGA显示输出具有兼容性强,显示内容丰富的优势,而且VGA显示接口具有结构简单,性能可靠,兼容性强,时序容易由微处理器实现的特点。
因此,结合VGA显示的逻辑分析仪在嵌入式的数字图像处理系统中有广泛的应用前景。
1绪论
逻辑分析仪作为一种分析数字系统逻辑关系的工具,是现今测试仪器中最有效、最具代表性的仪器。
但其相对昂贵的价格,限制了其在普通用户领域中的使用,因而设计一种廉价的,便于实现的逻辑分析仪,支持一般的小型实验室或教育机构进行数字系统的开发、科研活动,具有很大的现实意义。
本设计是以满足普通用户或者小型实验室需求为目的,因此,该设计考虑的主要因素就是易于实现和成本的问题,然后再考虑保证满足常用功能的前提下,拓展设计功能,确保使用方便。
结合成品逻辑分析仪的特点及日常系统设计开发的需求,本文提出了如下设计方案。
本方案不采用常用的基于虚拟逻辑仪的设计方法,而是以台式一体机为设计思路,将信号采集,信号处理,信号显示做成一个系统,特别是数据的显示,采用VGA接口的显示器来完成。
逻辑控制,数据处理部分,则由FPGA来完成。
而VGA显示器,作为目前最常用的一种显示载体,其功能丰富,应用非常广泛,价格也比较低,用VGA作为显示单元,是一种比较实用和廉价的方案。
1.1VGA的背景
VGA(VideoGraphicsArray)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准,具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点,在彩色显示器领域得到了广泛的应用。
VGA这个术语常常不论其图形装置,而直接用于指称640×480的分辨率。
VGA装置可以同时储存4个完整的EGA色版,并且它们之间可以快速转换,在画面上看起来就像是即时的变色。
除了扩充为256色的EGA式色版,这256种色彩其实可以透过VGADAC(Digital-to-analogconverter),任意的指定为任何一种颜色。
这就程度上改变了原本EGA的色版规则,因为原本在EGA上,这只是一个让程式可以在每个频道(即红绿蓝)在2bit以下选择最多种颜色的方式。
但在VGA下它只是简单的64种颜色一组的表格,每一种都可以单独改变——例如EGA颜色的首两个bit代表红色的数量,在VGA中就不一定如此了。
VGA在指定色版颜色时,一个颜色频道有6个bit,红、绿、蓝各有64种不同的变化,因此总共有262,144种颜色。
在这其中的任何256种颜色可以被选为色版颜色(而这256种的任何16种可以用来显示CGA模式的色彩)。
这个方法最终仍然使了VGA模式在显示EGA和CGA模式时,能够使用前所未有的色彩,因为VGA是使用模拟的方式来绘出EGA和CGA画面。
总结来说,CGA和EGA同时只能显示16种色彩,而VGA因为使用了Mode13h而可以一次显示256色版中的所有色彩,而这256种颜色又是从262,144种颜色中挑出的。
1.2VGA的发展与应用
显卡所处理的信息最终都要输出到显示器上,显卡的输出接口就是电脑与显示器之间的桥梁,它负责向显示器输出相应的图像信号。
CRT显示器因为设计制造上的原因,只能接受模拟信号输入,这就需要显卡能输入模拟信号。
VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口。
虽然液晶显示器可以直接接收数字信号,但很多低端产品为了与VGA接口显卡相匹配,因而采用VGA接口。
目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接,计算机内部以数字方式生成的显示图像信息,被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号,信号通过电缆传输到显示设备中。
对于模拟显示设备,如模拟CRT显示器,信号被直接送到相应的处理电路,驱动控制显像管生成图像。
而对于LCD、DLP等数字显示设备,显示设备中需配置相应的A/D(模拟/数字)转换器,将模拟信号转变为数字信号。
在经过D/A和A/D2次转换后,不可避免地造成了一些图像细节的损失。
VGA接口应用于CRT显示器无可厚非,但用于连接液晶之类的显示设备,则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。
目前VGA显示器应用已经很普遍,VGA的显示能力,分辨率亦较高。
设计一款用VGA作为显示载体的逻辑分析仪,是一个比较理想的设计方案。
1.3基于VGA显示的逻辑分析仪的优势
小型实验室或者教育机构,在进行研发或者教学的过程中,对逻辑分析仪有很强的需求,但是成品台式逻辑分析仪价格高昂,基于计算机的虚拟逻辑分析仪操作又比较复杂,使逻辑分析仪的应用受到很大限制。
目前,在处理速度及多输入通道方面,FPGA芯片有着很大的优势,基于FPGA的逻辑分析仪设计方法,有着广泛的应用前景,这也是目前逻辑分析仪的一个主要发展方向。
但在数据显示方面,大多数设计采用的是虚拟逻辑分析仪的设计方案,数据需上传到计算机后,由计算机进行处理,这使得该方案设计的逻辑分析仪,操作复杂,资源占用巨大。
基于以上考虑,以台式逻辑分析仪设计思路为方向,结合虚拟逻辑分析仪的设计方法,设计一种能直接显示采样到的数据,功能实用,操作方便,满足普通用户实验教学或开发需求的,易于实现,成本较低的逻辑分析仪,是一个需要解决的问题。
考虑到目前VGA显示器应用已经很普遍,VGA的显示能力,分辨率亦较高。
结合以上情况,设计一款基于FPGA,用VGA作为显示载体的逻辑分析仪,就是一个比较理想的设计方案。
1.4论文的结构
本文介绍了一种利用可编程器件FPGA实现VGA接口显示器的VHDL设计方案,利用FPGA设计VGA接口,其VGA接口是将二进制RGB数据帧,转换为对应的模拟电压信号。
本文设计了一种采用电阻分压的方式进行色彩信号的DA转换,整体分为信号缓冲、电阻分压、端口保护等部分。
VGA接口最终可以将要显示的数据直接送到显示器上显示,省去了计算机的处理过程,能加快数据的处理速度和节约硬件成本。
本文还详细讨论了用VHDL设计VGA扫描时序的方法,使图像能够在屏幕上任意位置显示,并使之在PS/2接口的键盘的按键控制下移动。
本论文的具体内容安排如下:
(1)第1章:
绪论。
介绍了VGA的背景及发展与应用,简述了基于VGA显示的逻辑分析仪的优势,介绍了本设计的研究内容和论文结构。
(2)第2章:
基于VGA显示的逻辑分析仪的设计。
针对一体思想,结合本设计的设计思路,提出了基于VGA显示的逻辑分析仪的软硬件设计思路,并就一些与设计相关的技术,进行了深入的介绍。
(3)第3章:
系统硬件电路设计。
讲述了系统的硬件框架,单元电路设计与实现方案。
重点介绍了FPGA最小系统、VGA接口电路。
(4)第4章:
系统软件设计。
介绍了系统的软件结构框图,各个模块的设计及开发流程。
这些模块包括采样触发控制模块、采样频率控制模块、双口RAM存储模块、键盘显示控制模块、波形显示控制模块和VGA显示驱动模块。
(5)第5章:
功能调试。
介绍了装置的人机交互界面,控制方法和工作方式。
(6)第6章:
总结与展望。
总结了设计过程的心得与体会,提出了一些设计扩展想法和思路。
2基于VGA显示的逻辑分析仪的设计
2.1总体方案的设计
根据一体化的设计思路,可以得出本设计—基于VGA显示的逻辑分析仪的总体结构框图如图2.1所示。
主要包括数据采样存储、数据显示处理和接口三大单元。
图2.1基于VGA显示的逻辑分析仪的总体结构框图
Fig2.1VGAdisplaybasedontheoverallstructureofthelogicanalyzerblockdiagram
本方案不采用常用的基于虚拟逻辑仪的设计方法,而是以台式一体机为设计思路,将信号采集,信号处理,信号显示做成一个系统,特别是数据的显示,采用VGA接口的显示器来完成。
数据处理采集部分,则由FPGA来完成。
主芯片时钟由外部提供,由一片晶振提供50MHz频率的时钟源。
FPGA是整个系统的核心,通过对其编程可输出红、绿、蓝三基色信号和HS、VS行场扫描同步信号。
当FPGA接受输出的控制信号后,内部的数据选择器模块根据控制信号选择相应的图像生成模块,输出图像信号,与行场扫描时序信号一起通过VGA接口电路送入显示器,在VGA显示器上便可看到对应的彩色图像。
2.2硬件设计的方案
基于一体化思想,将系统硬件分成FPGA、DA转换、VGA接口、VGA显示器、以及一些外围电路。
组成框图如图2.2所示。
图2.2系统硬件组成框图
Fig.2.2Systemhardwareblockdiagram
通常VGA显示器显示的图像数据量较大,例如采用单片机进行系统设计,需要外接RAM来存储这些数据。
而FPGA内置配置芯片为EPCS16,16Mb的存储单元足以满足我们所需要的1Mb,所以FPGA不需要外接RAM来存储这些数据。
通过对FPGA进行编程,输出标准的VGA信号(红、绿、蓝三色信号和行、帧同步信号),通过15针VGA接口输出至显示器,可具有显示驱动程序的能力,驱动显示器显示图像信号。
除此之外,一些外围电路对FPGA的控制是必要的。
VGA显示器的输入是模拟信号,所以由VGA显示控制器产生的RGB信号在进入VGA接口前要经过一个D/A转换器,将数字信号转化为模拟信号,最终才在VGA显示器上显示出来。
2.3软件设计的方案
整个系统的核心是FPGA。
以FPGA为载体,得出基于VGA显示的逻辑分析仪的组成部分,主要包括逻辑处理部分、存储部分、波形显示部分、VGA显示驱动部分及键盘显示控制部分五个组成部分。
结构框图如图2.3所示。
图2.3基于VGA显示的逻辑分析仪的组成结构框图
Fig.2.3VGAdisplaybasedonthelogicanalyzerblockdiagram
按功能也可以划分为三个部分,信号采样部分、波形显示部分和键盘控制部分。
当逻辑分析仪的触发条件满足时,信号采样部分会对输入信号进行采样并存储;波形显示部分只管从双口RAM读数据并送往VGA接口显示;键盘控制部分主要是控制更改触发条件、采样频率及数码显示等操作。
2.4采用的主要技术
本设计采用了Altera公司的EDA软件QuartusII,并以Cylone系列FPGA器件为系统硬件平台。
在EDA软件工具平台上,采用自上而下的设计方法,以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述的主要手段完成系统设计。
2.4.1FPGA
FPGA是英文Field-ProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
本设计所用的FPGA为Altera公司CycloneII系列的EP2C35F672,包含33216个逻辑单元(LEs),483840bits的片上RAM,还有475个用户可用I/O口,封装为672-PinFBGA。
EP2C35F672的特性如表1.1。
FPGA的资源十分丰富,可以拓展进行一系列的基于FPGA的系统设计。
表2.1EP2C35F672器件特性
Tab.2.1EP2C35F672devicecharacteristics
特性
EP2C35F672
逻辑单元(LE)
33216
RAM总量(bit)
483840
M4KRAM块(4Kbit+奇偶校验)
105
PLLs(个)
4
时钟输入管脚(个)
8
全局时钟网格(个)
16
最大用户I/O数(个)
475
配置二进制文件(.rbf)大小(bit)
6858656
可选串行主动配置器件
EPCS16
由于FPGA内部没有振荡电路,使用有源晶振是比较理想的选择。
EP2C35F672的输入的时钟频率范围为10MHz-360MHz,经过内部PLL电路后可输出10MHz-402.5MHz的系统时钟。
2.4.2VHDL语言
本设计采用VHDL语言。
VHDL主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外,VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可是部分,及端口)和内部(或称不可视部分),既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。
这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
与传统设计方法相比,VHDL描述电路行为的算法有很多优点:
(1)设计层次较高、用于较复杂的计算时,能尽早发现存在的问题,缩短设计周期。
(2)独立实现,修改方便,系统硬件描述能力强。
(3)可读性好,有利于交流,适合于文档保存。
(4)VHDL语言标准、规范、移植性强。
(5)VHDL类型众多而且支持用户自定义类型,支持自顶而下的设计方法和多种电路的设计。
2.4.3QuartusII7.0开发平台
QuartusII软件,根据设计者需要
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