基于FPGA和TFT彩屏液晶的便携示波器设计

摘要：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。通过异步FIFO实现了FPGA中高速数据流与单片机处理速度之间的速率匹配。以三总线结构以及控制信号的握手协议为基础，保证了FPGA与单片机通信的有效性和可靠性。该系统具有自动频率控制(AFC)和自动增益控制(AGC)的功能，可以方便地对信号进行测量。
关键词：FPGA；TFT液晶；异步FIFO；数字存储示波器

在现代通信、雷达和航空航天等应用领域，由于设备复杂度和集成度的不断增加，在进行外场维护和测试时，通常需要借助于示波器等一些辅助的电子测量仪器来观察信号的波形并进行相关参数的测量。目前，现代化的数字存储示波器以其独特的优势逐步取代了模拟示波器，对信号的测量带来了很大的便利。然而，外场测试及维护工作的实际需要对示波器这样的测量仪器也提出了更多的要求，除了成本的限制以外，在体积、精度、实时性以及使用的灵活性等方面也有了更高的标准。常用的示波器一般体积比较大，成本高，这就使它的应用受到了一些限制。在这种情况下，开发低成本便携的手持示波器，将会大大提高其应用空间，为设备的外场维护和测试工作提供更多的便利。
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。