基于SOPC的多功能手持式电子仪器的研究

1、 基于SOPC的多功能手持式电子仪器的研究 摘 要：介绍一种采用SOPC技术设计的多功能手持式电子仪器。利用Quartus软件，把多种信号发生器、数字频率计、数字电压计的主要电路集成在一片FPGA芯片中，该仪器的功能多、可靠性好、集成度高，达到了手持的目的。Key：可编程片上系统信号发生器频率计电压表一、前言随着电子及计算机技术的发展，便携式和手持式设备的盛行、需求量的增长以及对电子仪器的功能、使用质量和精度有更高的要求。用户迫切希望有一个性价比高、便于携带、综合多种仪器功能于一体的设备。SOPC(System On Programmable Chip)技术将尽可能大而完整的将电子系统在单一的

2、FPGA中实现，使得所涉及的电路在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、硬件升级等多方面实现最优化4。因此，对于便携式的仪器设计采用SOPC技术是重要的技术路线。二、基于SOPC的多功能手持式仪器的设计本设计主要采用SOPC技术完成一个集多种信号发生器、数字频率计、数字电压计于一体的手持式电子仪器，而且满足用户可自由编程定制功能。因此根据目前传统的仪表存在的问题，本课题将利用FPGA器件的集成度高、容量大、功耗低、体积小、可反复擦写程序、用户可编程定制的结构特点。在Quartus软件平台，用VHDL硬件描述语言编程来完成一个多功能手持仪器的设计。（一）信号发生器模块的实现在设计中，我采用

3、直接数字频率合成技术（DDS）和自行编程的解决方案来完成信号发生器的设计，其基本原理是从相位的概念出发进行数字频率合成，根据信号的波形，在不同的相位给出不同的幅值，然后由这些周期性的离散幅值经平滑滤波形成所需频率波形的信号。1设计产生正弦波，是通过预先计算出正弦波表，然后查表输出实现的；产生方波，是交替送出全0和全1，给以适当的延时实现；产生三角波，是通过由全0不断加同一个数，到全1之后再不断减同一个数来实现；产生递增波，在一个周期里是通过由全0不断加同一个数直到1，在下一个周期开始处跳变为全0，再按照上述方法循环；产生递减波的方法与产生递增波的方法刚好相反；产生阶梯波的方法是在一个周期里从0

4、到1和从1到0同产生三角波的方法基本相同，只是加减同一个数的数值大一些，成阶梯状。另外，在设计时除了能产生这6种基本波形外，还可任意两种以上的波形进行线形组合，将每一时刻两种以上的波形数值相加，再除以组合波形的数量即可得到合成波形。信号频率的变化是通过改变波形产生模块的工作时钟实现，最后输出的波形是数字信号量，所以输出要用到D/A转换变成模拟信号，再经过滤波电路变成平滑的波形信号。递减波形模块的部分源程序说明如下：port(clk,reset:in std_logic; q:out std_logic_vector(7downto0);定义8位输出end dijian;architecture

5、 dijian_arc of dijian isbeginprocess(clk,reset)variable tmp:std_logic_vector(7downto0); beginif reset=0thentmp:=“11111111”;复位Reset=0时，Tmp=1elsif clkevent and clk=1then if tmp=“00000000”thentmp:=“11111111”;确保每次从最高位递减elsetmp:=tmp-1;输出幅度减1，直到为0时再跳到最高位，重复递减。end if;end if;q=tmp;状态输出该程序中CLK与其它信号生成模块一样是时钟输

6、入端,RESET是低电平复位清零端。（二）数字频率计模块的设计使用直接测量法设计，即在一定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数。它主要由5个模块组成，分别是：脉冲发生器电路、测频控制信号发生器电路、计数模块电路、锁存器、译码驱动电路以及信号整形和数字显示电路。当系统正常工作时，脉冲发生器提供时序基准输入信号，经过测频控制信号发生器进行信号的变换，产生1S闸门计数信号。被测信号通过信号整形电路产生同频率的矩形波，送入计数模块，计数模块对输入的矩形波进行计数，将计数结果送人锁存器中。（三）数字电压表模块的设计该模块设计利用ADC0809作为电压采样端口，FPGA作为系统核心器件，负责ADC0809的

7、A/D转换的启动、地址锁存、输入通道选择、数据读取。同时，把读取的8位二进制数据转换成便于输出的3位十进制BCD码送给数码管，以显示当前的测量电压值，最小输出单位为0.02V。采用自顶向下的设计方法设计，其设计原理如图1。图1 数字电压表的设计原理图用VHDL语言对它进行设计，实现三大功能模块：(1)控制模块，激活A/D转换器动作、接收A/D转换器传递过来的数字转换值；(2)数据处理模块，将接收到的转换值调整成对应的数字信号；(3)扫描、显示模块。（四）编译完成的系统顶层电路利用Quartus软件平台，最后编译完成的系统顶层电路如图2所示。电路图中主要由四个模块组成，其中pision为分频调频

8、模块，hanshu为数字合成信号发生器模块，plj为频率计数器模块以及dianyabiao为电压表模块。图2中reset：复位信号；fpkey：调频参数；clk：系统时钟；sel3：波形选择；ckl1：待测频率；dd：待测电压；qq：波形输出；yy1：频率值输出；w1：数码管位选信号；dpout：小数点输出；qoutput：电压输出。图2 系统顶层电路图三、测试结果及分析经过实物测试，达到的主要技术指标：（1）频率计测频范围达到：1Hz-99.999999MHz；测频率精度为：0.1%；测频信号电压灵敏度：VP-P1.5V。而且该频率计可以切换成独立的频率计数用，即具有对外测信号频率的功能。（

9、2）电压表测量电压范围：1-999伏；测电压精度为：1%，该电压表能切换成独立的电压仪表，可以对外测电压。（3）数字合成信号发生器的信号输出频率范围可达到0.1Hz50MHz,在可编程逻辑芯片允许达到的最高频率范围内。如果改变信号输出控制模块的程序，输出信号种类就能得到64种不同的合成信号，因此该数字合成信号源实用范围比较广。也可以根据实际需要进行编程实现自己特定的波形信号，从而极大地提高了信号发生器的灵活性，满足用户的个性化要求。四、结束语由于采用SOPC技术对该电子系统进行集成，把三个仪器的功能集成在一片FPGA芯片中。仪器功能多、体积小、重量轻，可靠性和抗干扰能力强，完全达到了手持式的目的。而且满足了用户可自由编程定制功能，在作为信号发生器使用的同时还可以对外测频率、测电压，充分发挥了设备的效率。该论文的研究成果已交付应用，效果良好。Reference：1高玉良，李延辉，俞志强现代频率合成与控制技术北京航空工业出版社，2002：60-1102王振红主编.VHDL数字电路设计与应用实践教程.机械工业出版社，20033Ana