本文针对实际需要，设计了以FPGA为核心采集模块，以单片机为显示控制核心，以TFT彩屏液晶为显示器件的便携数字存储示波器。FPGA与高速A／D获取波形采样数据，通过单片机完成彩屏的初始化，合理设计出单片机与FPGA通信的总线握手协议，配合异步FIFO作为数据缓冲模块，实现了边采集边显示的效果。该系统具有小型化、操作简单、采样率高、动态范围大、精度高、实时性强和波形显示效果连续稳定的特点，同时还具有自动频率控制和自动增益控制的功能，具有很广阔的应用空间。　　

　　1 系统组成与工作原理

　　1．1 系统组成

　　系统主要由信号调理电路、核心采集模块、单片机处理模块和液晶外围电路组成。信号调理电路由继电器、增益控制D／A、两级可变增益放大器AD603和保护电路组成，主要用于对输入信号进行程控的衰减与放大，使信号在最佳的测量和显示量程范围内。核心采集模块以FPGA和高速A／D为核心，实现对信号的高速采样处理以及与单片机的通信。单片机处理模块接收波形数据并控制LCD进行译码显示。液晶外围电路为LCD提供合适的工作电压，并对液晶模块与单片机的接口电路进行设计。系统组成的总体框图如图1所示。

　　1．2 系统工作原理

　　根据输入信号电平的范围，FPGA发出控制信号控制调理电路的增益，将信号电平调整到最佳采集范围。在FPGA内配置两块异步FIFO作为采集数据的缓存区，实现高速采集与单片机读取速度之间的匹配。高速A／D在系统时钟的驱动下采集波形数据，并由FPGA测出信号的电压和频率。根据信号频率的不同，按照程序的预设选择最佳的时基，控制FIFO的写时钟信号，而读FIFO的时钟信号则固定不变，这样就可以在屏幕上得到最适合观察的信号波形。该系统的量程设置和时基选择完全由程序控制，不需要手动设置就可以自动将信号波形调整到最佳观察状态。　　

　　2 系统硬件设计

　　系统硬件主要实现对输入信号的程控衰减放大、过压保护，信号的采集处理，采集数据的传输以及单片机与液晶模块接口电路等，系统硬件总体框图如图2所示。

　　2．1 信号调理电路

　　信号调理电路实现了对输入信号的程控衰减放大，它由增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器AD603组成。通过FPGA，结合8位D／A转换芯片CA3338E，对两片AD603引脚端的输入电压进行控制，增益和控制电压关系为：　　

　　其中，Vc1，Vc2分别表示两片AD603的控制电压。

　　在工作时，FPGA输出控制信号，使继电器对输入信号进行100倍衰减。衰减后的信号经A／D转换后采集到FPGA中，根据预先设置的档位判断信号所属的范围。如果信号幅度过低，不在这些范围之内，则FPGA重新发出控制信号，并减小对输入信号的衰减倍数，直到衰减后的信号满足最佳测量范围为止。对应于每个档位的信号，输出一个8位的数字信号至CA3338E芯片，并将其输出的模拟信号加到AD603的输入端，得到不同的放大倍数，完成信号的程控衰减放大。信号调理电路实现了自动增益控制的功能，有效地提高了输入信号的动态范围。

　　2．2 FPGA核心板模块

　　FPGA核心板是系统的核心，一方面负责采集并缓存数据，另一方面实现与单片机的通信。FPGA最小系统板采用的是Xilinx公司SpartanII系列的XC2S200-PQ208型20万门芯片，其配置芯片为Xilinx公司的专用配置PROM芯片XCF02S，以实现加电自动配置。核心板采用5 V输入，板上有两块LM317电源芯片分别输出3．3 V和2．5 V电压。板上采用40 MHz有源晶振，满足高速设计要求。

　　2．3 高速A／D模块

　　本系统选用ADI公司的12位高速模／数转换芯片AD9224，完成对模拟信号的A／D采样功能，该芯片具有极佳的动态无杂波失真范围。AD-9224的电源由+5 V的模拟电源和+3．3 V的数字电源组成。为减少A／D转换结果的二次谐波，提高信噪比(RSN)，A／D芯片前端采用AD8138组成信号调理电路将单端信号转换成差分信号输入。该放大器的输入阻抗高达6 MΩ，可以直接与输入信号相连从而省略隔离放大器，因而可大大精简了电路结构。AD9224的外围电路设计如图3所示。

　　2．4 单片机与液晶模块接口

　　单片机使用C8051F020，它是一种高集成度的混合信号片上系统，有按8位端口组织的64个数字I／O引脚。液晶模块采用ILI9320片上系统(SoC)驱动器，支持26万色显示，分辨率为240 RGBx320像素，图像数据存储区的大小为172 800字节。ILI9320与MCU之间有4种总线接口方法，分别为i80系统总线、串行总线、RGB总线和VSYNC总线。本系统中采用i80总线进行控制，通过读使能(RDB)和写使能(WRB)2条控制线进行读写操作，其中数据线的宽度为8位，液晶模块中的控制信号和数据信号均为标准的TTL电平，应用时直接与单片机的GPIO总线相连。

　　3 系统软件设计

　　系统软件设计主要完成对程控衰减放大电路的控制，时基的选择，异步FIFO设计，FPGA与单片机的通信协议设计，波形参数测量以及波形显示中的触发设置等。软件设计总体框图如图4所示。

　　3．1 异步FIFO设计

　　A／D采样得到采样数据的数据率很高，为了保证单片机读取数据的有效性和可靠性，系统中使用异步FIFO对数据进行缓存。FIFO的设计是通过配置FPGA内部的BlockRAM资源实现的。为了实现边采集边显示的目的，配置两块相同的FIFO，在读写时钟的控制下，通过读使能和写使能信号的设置，使得在同一时刻始终有一块FIFO在进行写操作，而另一块FIFO在将写满的数据读出。而对于同一块FIFO不允许读写信号同时有效，这样接收A／D数据和读取数据并交给单片机处理可以同时进行，从而保证数据传输的连续性。

　　3．2 FPGA与单片机通信的实现

　　FPGA与单片机之间有效的通信是系统实现正常功能的重要前提，系统中通过数据总线，地址总线和控制总线将两个模块联系起来。在FPGA中，将不同类型的数据存放到不同的地址中，这些数据包括实时采集到的波形数据，测量得到的信号参数(电压和频率)，当前的时基、垂直分辨率以及一些控制参数。单片机通过地址总线对FPGA的内存进行访问，并对读取的数据做出相关的译码处理，并将处理结果实时显示在液晶屏幕上。

　　控制总线包括读使能和写使能信号，分别控制异步FIFO的读写操作。当其中一块FIFO中存够指定数量的采样数据以后，读使能信号有效，单片机开始接收数据，此时另一块FIFO开始写入采集数据。当数据接收完毕后，单片机向FPGA发出写使能信号，此时两块FIFO交换功能，单片机控制LCD将波形实时显示出来，并以此循环交替工作。这种异步总线握手协议的设计，使得单片机的读和FIFO的读写协调工作，大大提高了数据传输的可靠性。

　　3．3 波形参数的测量和触发嚣的软件实现

　　对信号参数的测量是示波器的重要功能，本系统可以测量输入信号的频率和电压。在FPGA内利用等精度测频技术和比较法分别进行测频和测压，由单片机通过地址线读取数据并完成数据的译码和显示。

　　触发器是示波器的重要组成部分，通过触发器产生的控制信号，控制示波器对波形数据的存储和显示，达到稳定同步的目的。本系统设计的触发器，采用全数字化结构，大大降低了系统硬件电路的复杂性，并且触发条件的调整比较方便。触发器通过引用单片机内部的RAM资源定制了一个采集数据的缓存区，将波形数读入该缓存区，按照预先设定的触发门限，将缓存区中的数据读出，如果满足触发条件，则将数据在屏幕上显示出来。　　

　　4 系统调试和测试

　　在完成了系统的硬件设计和软件设计以后，需要进行综合调试和测试。通过调试，不断优化程序代码，使系统的性能得以提高，工作状态更加稳定。在进行测试时，输入峰峰值为2 V，频率为1 kHz的正弦信号，在LCD上观察到的波形及测量参数如图5所示。从图中可以看出，波形显示稳定连续，测量信号参数的精度高，且包含彩色信息丰富。

　　5 结束语

　　研究了以TFT彩屏液晶作为显示器件的手持数字存储示波器的总体方案，即信号调理电路，核心采集模块，单片机处理模块和液晶外围电路组成。在确定总体方案的同时，给出了实现此总体方案的具体方法。

　　通过握手协议合理解决单片机与FPGA通信的问题，用软件设计了数字触发器，取代了一般示波器中常用的触发电路，降低了系统的硬件复杂度。该数字存储示波器允许输入信号的动态范围大，体积小，便于携带，操作简单，具有很高的应用价值和广阔的发展空间。