基于CPLD的数字存储示波器

1、基于CPLD的数字存储示波器   摘  要：与传统的模拟老婆婆以器相比，数字存储示波器具有能够显示非周期波形、存储波形、携带方便等优势，其应用日益广泛。本文详细介绍了一种以单片机和可编程逻辑器件为控制核心的设计方案，并分析了该方案的优缺点，同时给出了硬件和欠件设计的结构及思路。    关键词：数字存储示波器，单片机，可编程逻辑器件1 引言    示波器是最常用的电子仪器之一，但传统的示波器均存在一定的缺点。模拟示波器不能存储波形和监视实时信号，数字示波器虽然能够存储波形，但价格昂贵（约几千到数万美元）。不

2、仅如此，这些传统示波器均存在体积过于笨重、操作复杂、耗电太大、不方便携带与现场测试、价格较高等缺点，给实际应用带来诸多不便。    随着计算机技术的发展，数字示波器也得到飞速发展，并给电子测量领域带来巨大变化，它能直接测量信号的幅度、频率等许多基本参数，不仅具有基本的波形显示功能，而且具有相当强的数据处理能力。数字化测量仪器正越来越多地位用于电子、自动化、机械等各个领域。比起模拟设备，数字化仪器有许多优点，如抗干扰能力强，数字化后的信号便于存储及输入计算机处理等。数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器，但目前我国还主要依赖进口。为了节省资金，方便

3、工业现场测试，开发左制便携式数字存储示波器很有必要，这种示波器在我国有良好的应用前景和推广市场。我们研制的基于CPLD设计的数字存储器示波器具有操作简单、性能可靠、价格低、携带方便等特点，可用于现场测试。2 数字存储示波器硬件设计    该数字存储示波器以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，控制其他外围芯片和模块实现A/D转换、数据存取、键盘操作、液晶显示等功能。整个系统有两个控制芯片：单片机AT89C52和可编程逻辑器件MAX7128S。单片机实现的功能主要是完成人机界面的操作，即键盘操作和液晶显示；可编程逻辑器件实现的功能主要是A/D转换和数据存取。系统功能框图

4、如图1所示。    设计的方案是先对被测波形进行A/D转换，将模拟量转换成数字量，然后对数字量进行存储，这样可以实现示波器的存储功能，即，当输入波形取消后，系统仍然可以从RAM中读取波形的消息。波形的显示主要是通过将数字量转换成液晶显示屏上点的坐标来实现的，因为数字示波器的显示原理与传统示波器的显示原理不同，传统示波器的显示原理是将偏转的电子束打到荧光屏上以显示波形，而数字示波器则是通过点亮液晶显示屏上某些点来显示波形的。于是，只要编写一段程序实再次地数字量转换成液晶显示屏上点的坐标，再编写将液晶显示屏上某点点亮的程序，这样，就可以实现在液晶显示屏上显示输入的波形

5、。由于有液晶显示，人机界面比较友好，因为，液晶显示屏上可以显示下一步操作的提示和当前的信息。为了使该系统更具可控性，引入了键盘操作模块，可以通过键盘输入来设定示波器的工作方式以及实现其他功能选项。    从图1可看出，各外围芯片均由CPU和CPLD来控制，而CPLD与CPU之间可通过相互之间的通信来获取当前系统的工作状态，系统主要分成两个模块：数据采集模块和数据处理模块。2.1 数据采集模块    为了将被测波形在液晶显示屏上显示出来，首先这样才可以对其进行处理。本系统采用的模数转换芯片是美国Analon Devices公司出品的AD

6、9058，它的采样速率最高可达50Msps。数据采集之后进行存储，对于需要不断更新数据的系统来说，存储空间并不需要太大，只要能够保存一次数据采集之后采集到的数据就可以了，下一次采集时只需把这一部分数据更新即可。    本系统的数据存储和数据读取是由不同的控制芯片来控制的，数据存储时由CPLD来控制，而读取数据时由单片机来控制。这就涉及到一个寻址的问题，因为系统中只有一个随机存取存储器，而存储和读取数据时都要寻址，解决方案是由CPLD来控制随机存取存储顺的地址线，而单片机在读取数据时通过与CPLD的通信来实现对随机存取存储器的寻址。同时，由于存储器只有一组数据线，而

7、读和写是分开的操作，所以，在读写数据时可能性会发生总线冲突的问题，为了解决这个问题选用了一块总线驱动芯片74HC244，这块芯片有三态输出选择，因此不会影响到总线上春他的数据传输，解决了总线争夺的问题。数据传输时的原理框图如图2所示。2.2 数据处理模块    数据处理过程要完成的功能有读取数据、二进制数据到坐标的转换、液晶显示以及对键盘输入的控制。由于RAM的地址线并未与单片机相连，所以，单片机对RAM的操作一定要通过CPLD才能实现。本系统采用的方案是用单片机的一个I/O口CP作为通信时钟信号，CP的每一个上升沿到来时，CPLD对地址线加1，选中相应的RAM地

8、址，在CP仍然为高电平时用MOVX A，DPTR指令读取数据。因为CPU并没有对RAM的地址进行控制，所以，读取数据的时候只需要提供/RD信号即可。DPTR地址任意赋值即可，数据处理模块如图3所示。3 系统软件设计    构成本系统控制总值发的是CPLD和单片机，二者都是可编程器件，因此，软件系统的设计主要是对CPLD和单片机程序的设计。3.1 CPLD程序设计    CPLD程序和单片机程序的设计思路有一定的区别，单片机的程序设计是以主程序和子程序为基本构成方式。各个模块都是同等地位的，而且各个模块也是同步执行的，并不像单片机的程序

9、执行是按照先后顺序的。    在CPLD程序设计中设计了在个模块，由这三个模块完成CPLD的控制功能。这三个功能模块分别是和中心控制模块（CONTRL）。CPLD程序的总体模块图如图4所示。    在图4所示的CPLD设计中，核心部分是CONTRL模块，这个模块将完成CPLD的主要控制功能，如数据存取、采样时钟信号发生以及与单片机的通信。图4中的输入和输出端口功能如下：    D0-D7采集到的波形数据，    ENCODE模/数转换采集结束标志，  &#

10、160; DONE波形采集结束标志，    READ读信号，    BUSY数据处理忙标志，    CP串行通信时钟，    RESET复位信号，    SEL0-SEL2采样时钟选择，    OE接到RAM上的读信号，    CLKIN输入基准时钟，    address9.0RAM的地址线。    BUSY信号是单片机的忙标

11、志信号，当单片机忙于数据读取和数据处理时，BUSY输出高电平，CPLD不能对RAM进行写操作，RESET信号是对地址线复位的信号，当RESET为低电平时便对RAM的地址线清零，使得每一次的数据采集和存储都能够更新。而CP信号是单片机在对RAM寻址时的时钟信号，因为单片机对RAM的寻址是通过CPLD间接实现的，每当单片机输出的CP信号民有一个上升沿来临时，CPLD便对RAM的地址线加1，使得单片机能够依次读取到波形数据。3.2 单片机程序设计    单片机程序的设计是以主程序和子程序为基本结构的，其中，主程序是贯穿全局的主线，子程序是某项功能的具体实现。主程序完成的

12、功能是：液晶显示的控制，对键盘输入进行处理，从RAM中读取波形数据，对数据进行处理，主程序的流程图如图5所示。    对数据进行处理主要是指将从RAM中读取到的波形数据转换成液晶显示屏上的坐标值，然后再调用在液晶显示屏上画点的子程序，这样就能实现波形数据和显示屏上某一点的对应关系。同时，为了观测方便，在液晶显示上某一点的对应关系。同时，为了观测方便，在液晶显示屏上还将显示出波形的峰-峰值，这需要对采集到的波形数据进行处理，设定两个存储单元，分别存储采集到的数据的最大值和最小值，每次读取到数据之后都和最大值、最小值进行比较，不断更新最大值和最小值，读取完320个波形

13、数据就能得到被测波形的最大和最小值（峰-峰值）。3.3 坐标转换子程序设计    模数转换所能实现的功能是将模拟的电压量转换成二进制的数字量，可是，要想在液晶显示屏上把被测波形显示出来还要作一下转换，就是将8位的二进制数字量转换成液晶显示屏上的坐标。坐标转换子程序就是在数据处理的过程中完成这一转换，模数转换得到的数值范围为00240。为了能在纵价值 标的范围内显示出波形，将转换到的数字量除以2，则数值范围在0128，这样即可在显示屏的范围内显示出来，又由于转换得到的数字量越大则坐标越小，所以，要用一个值减去数字量的一半，使得运算后得到的值刚好位于整个显示屏的中间部分。最后得到一个