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1、 . . . 电子科技大学学院毕 业 设 计 论 文论文题目 基于ZYNQ7010的数字存储示波器设计 学生 龚 学号 1240720345 专业 电子科学与技术 系(分院） 微电子技术系 指导教师 伟 指导单位 电子科技大学学院 2016年6月制摘 要示波器作为传统的仪器仪表，在仪器设备中占有重要的地位。早期示波器采用模拟方式完成信号的采集以及显示，由于笨重和难以存储信号，价格居高不下的因素只应用在少数场合。如今绝大多数示波器都是数字示波器，数字示波器又分为数字存储示波器，数字荧光示波器和采样示波器，其中数字存储示波器运用最为广泛。如今示波器通常采用DSP,FPGA,POWER PC作为主控
2、，从信息处理技术的发展来说，FPGA以其独特的并行处理方式而在信号采集的处理方面具有巨大优势。本设计采用XILINX公司的ZYNQ7010芯片，具有双核ARM A9处理器，A7的FPGA资源，以及高速互联总线AXI。运用嵌入式Linux充分发挥ARM双核A9的潜力，使用FPGA资源高速稳定的存储数字信号，并完成数字增益调节，平均电平的调节，软件触发，峰值，均值计算等功能。AXI总线完成ARM和FPGA的交互，数据传递。信号采集采用AD8138与AD9214，采样率高达80Mhz。关键字：ZYNQ7010,AD9214,linux,FPGA. . . . ABSTRACTAs the tradi
3、tional instrument, oscilloscope holds a very important place. In early time, oscilloscope collects signal and displays by simulation, and it was just used in very few occasions for its heavy, high price and bad signal storage. Now days most oscilloscopes are digital oscilloscopes which includes digi
4、tal storage oscilloscopes, digital phosphor oscilloscopes, and digital sampling oscilloscopes, and digital storage oscilloscopes are most widely used. DSP, FPGA, POWER PC are the main master controls in oscilloscopes, from the developing of information processing technique, FPGA has big advantage in
5、 signal collection for its particular parallel processing. The chip ZYNQ7010 of this project comes from XILINX cooperation which has dual ARM A9 processor.Key Words: ZYNQ7010,AD9214,linux,FPGA 目录第1章课题整体框架51.1 课题任务51.2 课题要求51.3 研究意义5第2章设计方案62.1 硬件部分62.1.1 硬件开发环境62.1.2 电源设计62.1.3 信号采集电路设计62.1.4 人机交互设计
6、62.1.5 主控核心板设计72.2 软件部分72.2.1 软件与逻辑开发环境72.2.2 软件与逻辑开发语言介绍8第3章实现功能93.1 实现功能描述93.2 电路设计93.2.1 电源电路设计103.2.2 信号调理、采集电路设计113.2.3 数字部分电路设计123.3 软件与逻辑系统设计153.3.1 逻辑开发介绍163.3.2 软件设计20第4章调试与实现234.1 调试中遇到的重点与难点234.2 解决方案234.3 调试过程展示234.3.1硬件调试234.3.2 软件与逻辑调试、仿真244.3.3 软件与逻辑、硬件整体调试264.4 实物展示27第5章总结29致31附录32附录
7、一：逻辑顶层代码设计32附录二：软件设计部分代码46第1章课题整体框架1.1 课题任务基于XILINX zynq7010 完成数字存储示波器软硬件设计。 1.2 课题要求通过原理图和PCB的设计，焊接调试，搭建整机硬件平台。在运行Linux嵌入式操作系统的ZYNQ7010双核ARM A9中进行软件和驱动的编写，对PL进行配置和控制，在TFT显示器上恢复波形。使用PL完成数据采集，处理，存储。1.3 研究意义随着嵌入式设备走入我们的生活之中，应用于各种苛刻的场合。对于嵌入式处理器的要求就更为严格，ARM和FPGA此时异军突起，ARM应用于低功耗，低成本，高性能，FPGA应用于信号处理，算法实现。
8、ARM加FPGA的结构已经广泛运用于各种信号采集板卡，通信设备之中。所以XILINX推出了ZYNQ7000系列，该器件集成ARM软件可编程性与FPGA的硬件可编程性，优势互补，使嵌入式设备的开发进入一个新的高度。让我们期待ZYNQ7000在数字存储示波器这样的既具有人机交互接口和界面，又有高速信号处理的应用平台上会产生什么样的优秀表现。第2章设计方案2.1 硬件部分2.1.1 硬件开发环境本设计原理图和PCB的绘制使用Altium Designer 2013 ，友好的交互界面，众多的快捷操作和工具，大大减少了硬件开发的周期。在制板之后的焊接调试过程中使用了烙铁，信号源，高速示波器，频谱仪，万用
9、表等工具，合理使用各种测试工具可以提高软硬件开发测试的效率。2.1.2 电源设计电源是硬件设计的重中之中，根据不同的需求合理设计电源才能满足硬件性能指标。在本设计中有众多的芯片需要供电，供电电压，功耗，纹波要求不尽相同。所以电源设计中采用12V-1.5A直流供电，使用LDO降压至9V，5V，3.3V，采用DC-DC开关电源集成块输出正负双5V电源给运放供电。2.1.3 信号采集电路设计信号采集电路是数字示波器的瓶颈，其中ADC芯片最为昂贵的部分，ADC芯片的采样速率和精度增长一倍，价格往往增加数倍，因此在设计信号采集电路时完全发挥ADC的性能。在本设计中ADC芯片选择ADI公司的AD9214，
10、采样精度为10位，采样率80Mhz,完全能够满足本设计的设计指标，并且还有相同型号不同采样率的芯片可以选择，避免硬件升级时的改动。由于AD9214是差分信号输入，在AD9214前添加一个AD8138单端转差分芯片。AD8138具有320Mhz通带，完全满足ADC的指标，还具有增益调节和共模电压调节功能，可以省去部分运放，减少PCB的设计难度。2.1.4 人机交互设计人机交互设计是提供一个友好的使用体验，方便直观的使用各种功能，设置参数，查看信息，回传数据和文件。本设计采用TFT液晶显示模块，具有320x240的分辨率，还集成电阻式触摸功能。输入使用独立按键，此外还可以使用以太网在linux终端
11、中输入命令进行控制和查看参数，通过tftp回传文件。2.1.5 主控核心板设计主控板设计优劣是能否发挥整体性能和使用体验的核心环节，在本设计中先后更换，对比过多种方案。目前比较成熟的方案有：1：ARM作为主控芯片，优势是价格便宜，开发速度快，外设多，交互方便，缺陷是采样不稳定，采样速度慢，不能很好地发挥ADC性能。2：ARM与FPGA，通过并行总线传输数据。优势是可以两种器件优势互补，很好地做到人机交互，又能稳定快速的采集，存储数据，完全发挥ADC的性能。缺点是电源供电复杂，占用PCB面积大，连线多，稳定性下降。并行总线占用大量管脚，带宽小。本设计综合考量各种设计方案，最终选用第二种方案的思路
12、，但又有自己的独特之处，规避了第二种方案的缺点，采用XILINX公司推出的ZYNQ7010可扩展架构芯片， 之所以叫做可扩展架构，是因其拥有双核ARM A9处理器和各种外设和引脚的PS部分，还拥有A7资源的FPGA的PL部分，ARM在其中占主导地位，FPGA可以认为ARM的可编程外设。PS可以独立于PL运行，并且是在PS运行之后再使用PS加载FPGA，这就是这颗可扩展架构芯片的独特之处。核心板采用Z-turn开发板，具有一颗ZYNQ7010芯片，DDR3存储器，10M/100M网络设备。2.2 软件部分2.2.1 软件与逻辑开发环境1.Xlinx Vivado 14.4 ：ZYNQ7010器件
13、的开发环境，比Xlinx旧开发工具ISE综合实现效率高，界面更友好。使用该软件配置PS外设，进行FPGA代码的综合实现。2.modesim6.6d :使用其对FPGA代码进行仿真，通过编写仿真代码，输入仿真激励，观察波形和输出文件可以发现代码的bug，提高调试的效率。因为FPGA综合实现需要消耗大量时间，只通过上板调试是很不现实的，也难以发现故障的源头。3.Matlab2014a:Matlab是一款强大的数学工具，因为本设计涉及到数字信号处理，故采用该软件对算法的实现进行仿真，在确认算法层面是可行之后再编写Verilog代码进行工程实现。同时使用该软件生成modesim仿真激励文件，对mode
14、sim仿真输出文件进行波形分析，以及对本设计存储的信号进行分析，也是有效的辅助调试手段。4. Vivado SDK 14.4 ：嵌入式Linux下c语言开发环境。2.2.2 软件与逻辑开发语言介绍Verilog HDL: 它是一种硬件描述语言（Hardware Description Language），以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。在ZYNQ7010的PL开发中采用该语言进行设计。C语言：它是一门通用计算机编程语言，既提供许多低级处理的功能，但仍然保持着良好的跨平台的特性，具有很好的可移植性，可以应
15、用于嵌入式处理器的平台。在本设计中，C语言用于ZYNQ7010中PS部分的软件编程。SHELL脚本语言：该脚本语言是解释型语言，运行之前不需要编译，在文本处理方便有很大的优势，命令简单易学，还提供数组、循环、条件以及逻辑判断等功能，甚至可以用来编写程序。在本设计中用来编写代码对PL进行调试。第3章实现功能3.1 实现功能描述在ZYNQ7010核心板构成的主控电路中，通过接插件连接底板上的电源部分、信号采集的模拟电路部分、独立按键部分、TFT液晶显示部分构成了整个设计的硬件。在ZYNQ7010上运行嵌入式Linux系统，在系统之中实现DDR3、以太网、TFT屏幕，按键等驱动。通过Liunx驱动配置
