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1、毕业论文学院：电子信息工程学院专业： 通信工程 年级：2006级 题目: 基于FPGA的USB虚拟示波器设计 学生： _ 指导教师: 职称: 本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 / 目 录摘要1Abstract11引言21.1虚拟仪器的发展现状与前景21.2 USB总线技术发展现状与前景21.3 FPGA的发展现状与前景32系统总体设计52.1信号调理和A/D采样模块52.1.1阻抗匹配和程控放大电路62
2、.1.2 A/D转换器62.2FPGA控制模块72.2.1时基控制器82.2.2比例控制器92.2.3 USB控制器102.3 USB通信模块112.4上位机显示操作模块143 总结16致17参考文献17基于FPGA的USB虚拟示波器设计摘要：传统的示波器虽然功能齐全,但是体积大、重量重、成本高等一系列问题使其应用受到了限制。有鉴于此,本文设计了基于FPGA的USB虚拟示波器。它以FPGA芯片为核心,辅以必要的外围电路包括信号调理、A/D转换,利用Verilog HDL语言编程实现了对USB芯片CY7C68013A的控制,垂直灵敏度和水平灵敏度的挡位设置等操作。通过USB将数据上传到VC6.0
3、编写的上位机软件,实现了简单的示波器操作和显示功能。关键词：虚拟示波器；FPGA；USB2.0FPGA and the USB-based virtual oscilloscopeAbstract: The traditional oscilloscope is full-featured, and bulky, heavy, high cost makeapplications limited. In view of this, the paper designed FPGA-based USB virtual oscilloscope. FPGA chip is the core in t
4、he system, which was supplemented with the necessary peripherals, such as signal conditioning, A / D converter. Verilog HDL language was used for USB control of the vertical sensitivity and horizontal sensitivity setting. The data wastransferred to the PC over USB; the system software was developed
5、on VC6.0 platform and realizes a simple operation and waveform display.Key words:Virtual Oscilloscope; FPGA; USB2.01引言1.1虚拟仪器的发展现状与前景虚拟仪器的概念是1986年由美国国家仪器公司首先提出的。所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机,加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。它可代替传统的测量仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;还可集成于自动控制、工业控制系统,可自由构建成专有仪器系统。
6、虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域。无论哪种虚拟仪器系统,都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。与传统仪器相比,虚拟仪器的特点在于：打破了传统仪器的万能功能概念,将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集由计算机来处理。由于充分利用计算机技术,完善了数据的传输、交换等性能,使得组建
7、系统变得更加灵活、简单。强调软件就是仪器的新概念,软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件,加上标准化总线的使用,使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。仪器由用户自己定义,系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减,可方便地同外设、网络及其它应用设备连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库,处理模块间通讯、定时、触发等功能,强调在通用计算机平台的基础上,通过软件和软面板,把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的,由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改
8、变的模式,给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化,用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准,使资源的可重复利用率提高,系统组建时间缩短,功能易于扩展,管理规,使用简便,软、硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用,又可以构成较为复杂的测试系统,甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统,进行远程监控及故障诊断。此外,用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器,还可以大大节省仪器购买、维护费用1。1.2 USB总线技术发展现状与前景当今的计算机外部设备,都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的
9、需求,以Intel为主,并由Compaq,Hewlett,Paekard,Intel,Lueent,Microsoft,NEC和philips这7家厂商共同制定了串行接口USB总线协议,于1994年11月制定了第一个草案,1996年2月公布USB规版本1.0。20XX4月发布USB2.0标准规。USB总线协议支持最多5个Hub级联,可把多达127个外设同时连接到你的系统上,所有的外设通过协议来共享USB总线的带宽。目前,USB端口己成为了微机主板的标准端口,使用中的USB协议有1.0,1.1和2.0三个版本,通信速率分别为1.5Mbps,12Mbps,480Mbps,USB协议向下兼容。此外在
10、USB2.0协议中提出了USB OTG 的概念,为USB的嵌入式控制提供了广阔的前景。USB OTG技术解决了以往USB设备不能脱离PC机而运行的矛盾,使得嵌入式设备能与USB设备直接进行点对点通讯。USB总线主要的优点是速度快、功耗低、支持即插即用和使用维护方便。USB2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps,是USB1.1标准的40倍。USB2.0可以使用原来USB定义中同样规格的线缆,接头的规格也完全相同。而且新的符合USB2.0规格的设备不会和USB1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。新的VIA芯片组和则TEL,AMD,515,ALI都已经在新产品中加入了对USB2.0
11、的支持。软件方面,Windows98全面提供了对USB1.x的支持,而WindowsXP全面提供了对USB2.0的支持。在LNIUX,MACOS,BEOS,WindowsCE等操作系统中,对USB2.0都有了相关的软件支持或者系统程序包。随着USB总线技术在计算机外设中的广泛应用,以USB OTG为背景的嵌入式USB应用也被提到议事日程上来了。USB OTG技术解决了USB总线技术在嵌入式环境中应用时点对点通讯的问题。现在Cypress,Philips,NEC等公司都推出了很成熟的USB OTG芯片组,USB OTG技术将很快普遍应用起来2。1.3 FPGA的发展现状与前景PLD是可编程逻辑器
12、件Programable Logic Device的简称,FPGA是现场可编程门阵列Field Programable Gate Array的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74系列门电路,都可以用PLD来实现。PLD如同一白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的
13、正确性。在PCB完成以后,还可以利用PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步。开发PLD需要了解两个部分,PLD/FPGA开发软件和PLD/FPGA本身。PLD/FPGA开发软件已经发展的相当完善,用户甚至可以不用详细了解PLD的部结构,也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。PLD/FPGA的开发软件包括Altera公司的 QuartusII 、Xi
14、linx 公司的ISE WebPack、Lattice 公司的isplever Base。对于PLD产品,一般分为：基于乘积项Product-Term技术,EEPROM或Flash工艺的中小规模PLD,以及基于查找表Look-Up table技术,SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。EEPROM工艺的PLD密度小,多用于5,000门以下的小规模设计,适合做复杂的组合逻辑,如译码。SRAM工艺的PLD,密度高,触发器多,多用于10,000门以上的大规模设计,适合做复杂的时序逻辑,如数字信号处理和各种算法。电子设计自动化EDA的实现是与CPLD/FPGA技术的迅速发展息息相关的。CPLD/FPG
15、A是80年代中后期出现的,其特点是具有用户可编程的特性。利用PLD/FPGA,电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC,实现系统的集成,从而大大缩短了产品开发、上市的时间,降低了开发成本。此外,CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性,使硬件的功能可象软件一样通过编程来修改,不仅使设计修改和产品升级变得十分方便,而且极提高了电子系统的灵活性和通用能力。自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件FPGA至今,FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中,以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门,发展到90年代的25万个可利用门,乃至当新世纪来临之即,国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片,将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史,其之所以具有巨大的市场吸引力,根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题,而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断
