基于SOPC的多功能手持式电子仪器的研究.docx

          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QuartusⅡ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QuartusⅡ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 dijian_arc of dijian isbeginprocess(clk,reset)variable tmp:std_logic_vector(7downto0); beginif reset=’0’thentmp:=“11111111”;——复位Reset=0时，Tmp=1elsif clk'event and clk=‘1‘then 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QuartusⅡ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；：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-P≤1.5V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0.1Hz—50MHz,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，2002：60-110[2]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，2003[3]Analog Devices Inc.,CMOS,125MHz Complete DDS Synthesizer,Data Sheet,1996[4]Altera Corporation．Altera Digital Library ,March 2002（作者单位：广东技术师范学院 电子与信息学院）  -全文完-。