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基于FPGA逻辑的示波器设计

1 ADC采集数据的搬移

1.1 基于FIFO的机制

FPGA处理2个时钟域之间的数据交换：

一个慢的系统时钟 - 固定为25MHz
ADC采样时钟（一般为快速时钟，比如说50MHz），它由FPGA产生并送给ADC

从ADC采集到的数据以ADC的采样频率存储到FIFO中，FIFO的数据被另一个时钟读出，并通过并/串变换发往串口（比如115200波特率）或SPI总线驱动的LCD屏幕。

假如采用的FIFO的深度为1024个字节，50MHz的采样频率，花费大约20μS的时间将FIFO填满，一旦填满，我们就不再向FIFO发送数据，存储在FIFO中的数据需要使用低速的时钟全部读出并发送出去。如果采用115200波特率的串行通信方式，大约每秒可以传送10KBytes，1024个采样点数据需要大约100ms全部发送完毕，在此期间，示波器是“盲”的，因为其采集到的数据都会被丢弃掉，不会存储到FIFO中，也就是说有99.99%的时间是“盲”的，采用这种架构带来的这种结果是非常正常的。

如果添加了“触发”的功能，则可以靠触发条件来选择数据。

ADC输出的数据总线通过8个管脚连接到FPGA，我们命名这8位的数据为“data_adc[7:0]”, 速率很高，最好先用寄存器来同步一下：

reg [7:0] data_adc_reg;
always @(posedge clk_adc) data_adc_reg <= data_adc;

FIFO为1024个word的深度 * 8bit的宽度，50Msps的采样率，需要花费大约20μs填满FIFO。FIFO可以用FPGA内部的同步SRAM来构成，不同FPGA厂商的IP构成方式不同，但功能都是一样的。

完成了FIFO的例化以后，我们就可以通过FIFO将数据连接起来：

fifo myfifo(.data(data_adc_reg), .wrreq(wrreq), .wrclk(clk_adc), .wrfull(wrfull), .wrempty(wrempty), .q(q_fifo), .rdreq(rdreq), .rdclk(clk), .rdempty(rdempty));

向FIFO中写数据

为向FIFO中写数据，我们需要等待到空的状态，一旦FIFO的状态变“满”，则停止写数据，代码逻辑如下：

reg fillfifo;
always @(posedge clk_adc)
if(~fillfifo)
  fillfifo <= wrempty; // start when empty
else
  fillfifo <= ~wrfull; // stop when full
 
assign wrreq = fillfifo;

从FIFO中读取数据

只要FIFO不空，就可以从中读取数据，读出的每一个字节发送到串行输出模块

wire TxD_start = ~TxD_busy & ~rdempty;
assign rdreq = TxD_start;
 
async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(q_fifo));

然后我们就可以通过调用“异步发送”的功能模块将数据编程变成串行，并通过“TxD”信号管脚发送出去。

完整的设计：

module oscillo(clk, TxD, clk_adc, data_adc);
input clk;
output TxD;
 
input clk_adc;
input [7:0] data_adc;
 
reg [7:0] data_adc_reg; always @(posedge clk_adc) data_adc_reg <= data_adc;
 
wire [7:0] q_fifo;
fifo myfifo(.data(data_adc_reg), .wrreq(wrreq), .wrclk(clk_adc), .wrfull(wrfull), .wrempty(wrempty), .q(q_fifo), .rdreq(rdreq), .rdclk(clk), .rdempty(rdempty));
 
// The ADC side starts filling the fifo only when it is completely empty,
// and stops when it is full, and then waits until it is completely empty again
reg fillfifo;
always @(posedge clk_adc)
if(~fillfifo)
  fillfifo <= wrempty; // start when empty
else
  fillfifo <= ~wrfull; // stop when full
 
assign wrreq = fillfifo;
 
// the manager side sends when the fifo is not empty
wire TxD_busy;
wire TxD_start = ~TxD_busy & ~rdempty;
assign rdreq = TxD_start;
 
async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(q_fifo));
 
endmodule

1.2 基于双口RAM的机制

先说一下“触发”

现在，每次从串行端口接收到字符时，示波器都会被触发。当然，这仍然不是一个非常有用的设计，但是稍后我们将对其进行改进。

我们从串行端口接收数据：

wire [7:0] RxD_data;
async_receiver async_rxd(.clk(clk), .RxD(RxD), .RxD_data_ready(RxD_data_ready), .RxD_data(RxD_data));

每次接收到新字符时，“RxDdataready”都会变高一个时钟。我们用它来触发示波器。

再谈一下“同步”

我们需要将此“RxDdataready变高”信息从“clk”（25MHz）域传输到“clk_adc”（100MHz）域。

首先，当接收到字符时，信号“ startAcquisition”变高。

reg startAcquisition;
wire AcquisitionStarted;
 
always @(posedge clk)
if(~startAcquisition)
  startAcquisition <= RxD_data_ready;
else
if(AcquisitionStarted)
  startAcquisition <= 0;

我们使用2个触发器形式的同步器（将“ startAcquisition”转移到另一个时钟域）。

reg startAcquisition1; always @(posedge cll_adc) startAcquisition1 <= startAcquisition;
reg startAcquisition2; always @(posedge clk_adc) startAcquisition2 <= startAcquisition1;

最后，一旦另一个时钟域“看到”信号，它就会“回复”（使用另一个同步器“正在获取”）。

reg Acquiring;
always @(posedge clk_adc)
if(~Acquiring)
  Acquiring <= startAcquisition2;  // start acquiring?
else
if(&wraddress)  // done acquiring?
  Acquiring <= 0;
 
reg Acquiring1; always @(posedge clk) Acquiring1 <= Acquiring;
reg Acquiring2; always @(posedge clk) Acquiring2 <= Acquiring1;
assign AcquisitionStarted = Acquiring2;

回复将重置原始信号。

双口RAM

既然触发器可用，我们需要一个双端口RAM来存储数据，注意RAM的每一侧如何使用不同的时钟。

ram512 ram_adc(
  .data(data_adc_reg), .wraddress(wraddress), .wren(Acquiring), .wrclock(clk_adc),
  .q(ram_output), .rdaddress(rdaddress), .rden(rden), .rdclock(clk)
);

使用二进制计数器可以轻松创建ram地址总线。

首先写地址：

reg [8:0] wraddress;
always @(posedge clk_adc) if(Acquiring) wraddress <= wraddress + 1;

以及读取的地址：

reg [8:0] rdaddress;
reg Sending;
wire TxD_busy;
 
always @(posedge clk)
if(~Sending)
  Sending <= AcquisitionStarted;
else
if(~TxD_busy)
begin
  rdaddress <= rdaddress + 1;
  if(&rdaddress) Sending <= 0;
end

注意每个计数器如何使用不同的时钟。

最后，我们将数据发送到PC：

wire TxD_start = ~TxD_busy & Sending;
wire rden = TxD_start;
 
wire [7:0] ram_output;
async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(ram_output));

完整的设计

module oscillo(clk, RxD, TxD, clk_adc, data_adc);
input clk;
input RxD;
output TxD;
 
input clk_adc;
input [7:0] data_adc;
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////
wire [7:0] RxD_data;
async_receiver async_rxd(.clk(clk), .RxD(RxD), .RxD_data_ready(RxD_data_ready), .RxD_data(RxD_data));
 
reg startAcquisition;
wire AcquisitionStarted;
 
always @(posedge clk)
if(~startAcquisition)
  startAcquisition <= RxD_data_ready;
else
if(AcquisitionStarted)
  startAcquisition <= 0;
 
reg startAcquisition1; always @(posedge clk_adc) startAcquisition1 <= startAcquisition ;
reg startAcquisition2; always @(posedge clk_adc) startAcquisition2 <= startAcquisition1;
 
reg Acquiring;
always @(posedge clk_adc)
if(~Acquiring)
  Acquiring <= startAcquisition2;
else
if(&wraddress)
  Acquiring <= 0;
 
reg [8:0] wraddress;
always @(posedge clk_adc) if(Acquiring) wraddress <= wraddress + 1;
 
reg Acquiring1; always @(posedge clk) Acquiring1 <= Acquiring;
reg Acquiring2; always @(posedge clk) Acquiring2 <= Acquiring1;
assign AcquisitionStarted = Acquiring2;
 
reg [8:0] rdaddress;
reg Sending;
wire TxD_busy;
 
always @(posedge clk)
if(~Sending)
  Sending <= AcquisitionStarted;
else
if(~TxD_busy)
begin
  rdaddress <= rdaddress + 1;
  if(&rdaddress) Sending <= 0;
end
 
wire TxD_start = ~TxD_busy & Sending;
wire rden = TxD_start;
 
wire [7:0] ram_output;
async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(ram_output));
 
///////////////////////////////////////////////////////////////////
reg [7:0] data_adc_reg; always @(posedge clk_adc) data_adc_reg <= data_adc;
 
ram512 ram_adc(
  .data(data_adc_reg), .wraddress(wraddress), .wren(Acquiring), .wrclock(clk_adc),
  .q(ram_output), .rdaddress(rdaddress), .rden(rden), .rdclock(clk)
);
 
endmodule

1.3 触发

我们的第一个触发机制非常简单 - 检测一个上升沿穿过一个设定好的阈值，我们使用的是8位的ADC，因此采集到的数据的范围为0x00到0xFF，我们先假设阈值为ox80.

检测一个上升沿 如果一个采样点的值高于设定的阈值，而前一个采样点的值低于该阈值，则进行触发！

reg Threshold1, Threshold2;
always @(posedge clk_adc) Threshold1 <= (data_adc_reg>=8'h80);
always @(posedge clk_adc) Threshold2 <= Threshold1;
 
assign Trigger = Threshold1 & ~Threshold2;  // if positive edge, trigger!

显示中间触发

数字示波器的一项重要功能是能够查看在触发之前发生了什么。

这是如何实现的？

示波器不断采集，示波器的存储器一遍又一遍地被覆盖-当到达终点时，我们从头开始。但是，如果发生触发，则示波器将继续获取其一半以上的存储深度，然后停止。因此，它保留了一半的内存与触发之前发生的事件，以及一半的触发之后发生的事件。

我们在这里使用的是50％或“显示中间触发条件”（其它流行的设置本来是25％和75％的设置，但是以后可以轻松添加）。

实施很容易，首先，我们必须跟踪已存储的字节数。

reg [8:0] samplecount;

对于512字节的存储深度，我们首先确保至少获取256个字节，然后停止计数，但在等待触发时继续获取。触发条件到来后，我们再次开始计数以获取另外256个字节，然后停止。

reg PreTriggerPointReached;
always @(posedge clk_adc) PreTriggerPointReached <= (samplecount==256);

决策逻辑处理所有这些步骤：

always @(posedge clk_adc)
if(~Acquiring)
begin
  Acquiring <= startAcquisition2;  // start acquiring?
  PreOrPostAcquiring <= startAcquisition2;
end
else
if(&samplecount)  // got 511 bytes? stop acquiring
begin
  Acquiring <= 0;
  AcquiringAndTriggered <= 0;
  PreOrPostAcquiring <= 0;
end
else
if(PreTriggerPointReached)  // 256 bytes acquired already?
begin
  PreOrPostAcquiring <= 0;
end
else
if(~PreOrPostAcquiring)
begin
  AcquiringAndTriggered <= Trigger;  // Trigger? 256 more bytes and we're set
  PreOrPostAcquiring <= Trigger;
  if(Trigger) wraddress_triggerpoint <= wraddress;  // keep track of where the trigger happened
end
 
always @(posedge clk_adc) if(Acquiring) wraddress <= wraddress + 1;
always @(posedge clk_adc) if(PreOrPostAcquiring) samplecount <= samplecount + 1;
 
reg Acquiring1; always @(posedge clk) Acquiring1 <= AcquiringAndTriggered;
reg Acquiring2; always @(posedge clk) Acquiring2 <= Acquiring1;
assign AcquisitionStarted = Acquiring2;

请注意，我们已经记住了触发发生的位置。这用于确定要发送到PC的RAM中示例窗口的开始。

reg [8:0] rdaddress, SendCount;
reg Sending;
wire TxD_busy;
 
always @(posedge clk)
if(~Sending)
begin
  Sending <= AcquisitionStarted;
  if(AcquisitionStarted) rdaddress <= (wraddress_triggerpoint ^ 9'h100);
end
else
if(~TxD_busy)
begin
  rdaddress <= rdaddress + 1;
  SendCount <= SendCount + 1;
  if(&SendCount) Sending <= 0;
end

通过这种设计，我们终于得到了一个有用的示波器。我们只需要现在对其进行自定义。

以上完成了一个数字示波器的框架，后面就比较容易添加更多的功能了。

边沿触发

让我们添加在上升沿或下降沿触发的功能。任何示波器都可以做到这一点。我们需要一点信息来决定要触发的方向。让我们使用PC发送的数据的bit-0。

assign Trigger = (RxD_data[0] ^ Threshold1) & (RxD_data[0] ^ ~Threshold2);

非常简单

更多的选择：

让我们添加控制触发阈值的功能。这是一个8位的值。然后，我们需要水平采集速率控制，滤波控制…这需要PC上的多个控制字节来控制示波器。

最简单的方法是使用 “asyncreceiver” 间隙检测功能。 PC突发发送控制字节，当它停止发送时，FPGA对其进行检测并断言“ RxDgap”信号。

wire RxD_gap;
async_receiver async_rxd(.clk(clk), .RxD(RxD), .RxD_data_ready(RxD_data_ready), .RxD_data(RxD_data), .RxD_gap(RxD_gap));
 
reg [1:0] RxD_addr_reg;
always @(posedge clk) if(RxD_gap) RxD_addr_reg <= 0; else if(RxD_data_ready) RxD_addr_reg <= RxD_addr_reg + 1;
 
// register 0: TriggerThreshold
reg [7:0] TriggerThreshold;
always @(posedge clk) if(RxD_data_ready & (RxD_addr_reg==0)) TriggerThreshold <= RxD_data;
 
// register 1: "0 0 0 0 HDiv[3] HDiv[2] HDiv[1] HDiv[0]"
reg [3:0] HDiv;
always @(posedge clk) if(RxD_data_ready & (RxD_addr_reg==1)) HDiv <= RxD_data[3:0];
 
// register 2: "StartAcq TriggerPolarity 0 0 0 0 0 0"
reg TriggerPolarity;
always @(posedge clk) if(RxD_data_ready & (RxD_addr_reg==2)) TriggerPolarity <= RxD_data[6];
wire StartAcq = RxD_data_ready & (RxD_addr_reg==2) & RxD_data[7];

我们还添加了一个4位寄存器（HDiv[3：0]）以控制水平采集速率。当我们想降低采集速率时，要么丢弃来自ADC的采样，要么以我们感兴趣的频率对它们进行滤波/降采样。

基于FPGA逻辑的示波器设计

1 ADC采集数据的搬移

1.1 基于FIFO的机制

1.2 基于双口RAM的机制

双口RAM

1.3 触发

2. LCD的波形和界面显示

3. UART的数据传输

4. 通过SPI的数据传输

5. 增益及直流偏移的控制

6. 参数的自动测量

7. 校准和自动设置

硬禾学堂的仪器传输及控制协议