简易 数字存储示波器实验报告Word格式文档下载.docx
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因此我们所需要设计的部分便是A/D采样控制接口模块、键盘控制接口模块、存储器读写控制模块、LCD控制接口模块和LCD显示模块。
系统工作流程图如下所示：
通过RESET按键初始化，按键选择是否进行采样或是进行其他操作（如示例波形的演示、调用查看以前存储的波形），若进行采样，则将采集的数据存储到FPGA内置的RAM中，下一步进行是否存储或进行实时数据处理。
若进行实时数据处理则可以在LCD显示屏上观察到相应的波形，并且可以对其进行上移、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：
系统开始工作时，通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，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内置的存储器中。
待存储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的存储和显示。
如若需要存储波形，则在当前显示的同时，将采样得到的数据送往片外的SDRAM存储，直至存储结束或者存储容量达到上限。
当需要显示存储波形时，则将外部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、是否存储、是否显示实时波形还是存储波形、是否上下移动、是否进行时域扩展等。
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内部的ROM进行波形数据预存，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行选择。
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。
同时部分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。
其基本原理是给一个1s宽的高电平脉冲，在此期间对信号时钟的跳变进行计数，一秒结束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行采样存储控制的，作用是将采样得到的数据存储在内置的RAM内，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，开始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行采样存储的初步处理；
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，功能类似于实时部分中的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是用来进行显示控制的，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行是否需要显示的计算和处理。
我们通过FPGA内部配置一个锁相环，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内置不同波形的选择，完成了设计最初目中的大部分。
和最初的预期相比有一部分没有实现，即外部的A/D采样和保存部分。
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部分，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中大部分持续数据都一样，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：
由于框图比较大，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:
选择示例波形（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。
对于按键基本是以触发器的形式保存的（在keydeal内部可以看出，同时对于需要计数的key值是每记住一次就清除一次，防止下次误读入，而对于waveform则无所谓，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。
对该模块的功能进行简单仿真。
本次仿真假使UP=1，即使波形上移，仿真波形如下：
2、FREQDEVIDER：
对系统时钟进行分频，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：
对信号进行频率测量。
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内对待测信号进行计数，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中进行波形数据选择输出。
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，与上面的比较，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倍的关系进行扩展和1/2的关系进行收缩的。
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上的点会比较密集）。
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，再和基准线比较，如果相等，就表明这是我们要显示的点，否则就不是，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：
用来进行显示控制的，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），则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较，如果相等，则下一个点需要显示对应的图样，输出RGB为蓝色，否则输出白色。
在KEY_DEAL中，上下移动的按键对输出L_POSITION进行调整，如果上移，则将L_POSITION的值减小“1111”，即15，否则加上“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。
此部分的设计无难点，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，对波形进行采样并且存储到外围RAM中进行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，先对信号进行频率测量，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行选择的。
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（存储地址就达到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部分只剩下一半了）。
当存储完毕，送一个标志位给LCD的显示控制部分，准备显示。
当可以显示时，我们开始利用和现验收程序中几乎一样的方法从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，我们需要进行下一帧数据的存储（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），然后进行新一轮的实时数据存储，存储完再进行显示，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，同时也进行数据的存储，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，因此在不进行选择时，我们只显示当前的200个点，这个以基准的读地址为基础。
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，要注意的范围问题。
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，还要对按键值进行处理，以便做出相应的反应。
这在KEY_DEAL中可以看出，因为处理是在READ_DONE的上升沿进行的，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行拍照保存展示，所以事后我们只能通过SignalTapⅡ对ROM里的数据进行读出仿真，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
采用实验箱上内部提供的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的电源打开，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。
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