学习笔记-ARM+FPGA[数字示波器]

最近学习了一段时间的FPGA，本帖用来记录一下FPGA联合ARM制作一个双通道示波器的过程

一·总体设计

 --------1.硬件部分
------------FPGA采用Altera Cyclone IV E 的 EP4CE10F17C8N ，采用BGA封装共256引脚；
------------ARM芯片采用STM32F407IGT6，主频168MHz；

------------ADC部分采用AD9280ARS高速8bitADC；

------------显示部分采用7英寸TFTLCD屏幕；

--------2.软件部分

------------FPGA负责显示屏的显示驱动和触摸驱动，使用外拓展SDRAM作LCD的缓存；ADC芯片采样后数据的处理；

------------ARM负责控制TFT的显示,和上位机通讯；

------------FPGA和ARM采用FSMC总线进行通讯；

--------3.原理框图

二，FPGA功能实现

--------FPGA主要模块组成为复位信号产生，锁相环倍频，频率测量和对ADC芯片转换出的信号进行采样，FSMC总线通信，LCD显示和触摸驱动

--------在RTL图中

------------rst_ctrl为复位信号产生模块，在系统开始后的十个周期后，向后级module发送高电平复位信号；

------------my_pll为FPGA内置锁相环，输入为25M系统时钟，输出为C0 : 100MHz用于示波器采样基准频率，C1 : 120MHz用于示波器采样基准频率 , C2 : 120MHz用于给外置SDRAM作时钟，决定了SDRAM的读写速度 , C3:30MHz用于做LCD的像素CLK；

------------dso为数字示波器的采样和频率计算模块，将前级ADC转换电路得出的双通道8bit数据按照字节采样进addb寄存器内，由于前级ADC的转换速率高达125MSPS，FPGA可用25MHz，100MHz，120MHz来提取寄存器addb内的任一字节，称之为FPGA的采样频率，dso模块的参数模式由dso_control寄存器控制，包括触发沿选择、采样率选择、通道开启或关闭、直流或交流耦合选择，xy轴分度等，ARM可通过FSMC总线来更改dso模块的触发模式和控制寄存器，FPGA通过FSMC向ARM发送采样后的数据和测量出的当前频率，ab_r和rd_clk分别为dso模块挂载在fsmc总线上的地址和读时钟；

------------lcd为tft显示屏的驱动模块，包括SDRAM缓存操作、触摸回馈数据传递、TFTLCD的控制，由于总线速度和SDRAM的读写速度不匹配，所以在数据进入SDRAM前添加FIFO模块做数据缓冲，数据读出SDRAM后添加RAM做缓存，其中wr_clk为fifo写时钟，tft_control是液晶LCD显示控制寄存器，pwm_temp是液晶pwm调光亮度控制；

------------fsmc中rsn,AB,DB,WRn,RDn,CSn,NADV分别为ARM与FPGA通信中的地址线，数据线，写信号，读信号，片选信号和控制信号，其余信号为lcd或者dso的数据和地址通道;

三·ARM功能实现

--------ARM在此次设计过程中承担的主要任务是控制中心，包括UI设计，亮度调节，示波器参数控制，任务切换等

------------程序开始后，延迟约1s时间，等待FPGA开始工作，1s过后，进行FSMC，USART，LCD显示和触摸驱动相关程序初始化，之后检测FPGA就绪状态，若就绪，就进行下一步，若不就绪，则进入while（1）并向串口发送error；

------------整个GUI设计采用STemWin，更改静态储存区分配内存大小和画点函数就可以对LCD屏幕进行UI界面设计和波形绘制；

------------初始化结束后的while（1）中，主要包含两个进程，dso_process和display_process，dso进程用来通过触摸反馈获取当前示波器参数变量，计算电压峰峰值，平均值，频率，实时获取子菜单变量值等，而display负责显示不同菜单和绘制波形；

四·波形效果

--------使用高频信号源产生vpp=3.3V，fre=1KHz的方波，用示波器观察到的现象如下

------------所用平台为ICORE3双核心实验板；

------------本次设计的核心内容为FPGA底层驱动的实现，ARM与FPGA之间的FSMC总线通信，STemWin用户图形界面设计；

------------本次设计的难点在于，系统的实时性。系统总体设计采用FPGA+ARM，使用FPGA是为了实现信号高速采样和处理，双核心设计既保证了逻辑控制和媒体显示，也保证了高速信号传输，整个系统的实时性由ARM和FPGA共同完成，保证了从采样到显示，从触摸到反馈的实时资源调用。