基于SOPC技术的虚拟示波器设计
引言
模拟示波器由于无法高效地观察实验结果、数据处理功能弱等缺点，已逐渐被数字示波器所取代，但数字示波器价格昂贵。虚拟仪器是在通用计算机平台上，用户利用软件根据自已的需求定义设计仪器的测量功能，其可以大大拓展传统仪器的功能，降低仪器成本，并可通过软件实现数据的复杂分析、运算和海量存储等功能。labwindows/cvi是1种常用的虚拟仪器设计软件，为用户提供了功能强大的虚拟仪器系统开发平台。为此，本文以labwindows/cvi为开发平台，利用fpga中嵌入的niosⅱ软核构成的sopc系统，设计一种双通道虚拟示波器，以达到一般传统示波器的性能指标。
1 虚拟示波器硬件电路设计
1.1 虚拟示波器数据采集通道电路设计
为减少虚拟示波器对被测电路的影响，要求虚拟示波器数据采集通道的输入阻抗在1mω以上，因此必须设计合适的衰减器和可控增益的放大器。虚拟示波器数据采集通道的原理方框图如图1所示。图1中，虚拟示波器的2个通道完全对称，且相互独立。从探头进来的信号经过衰减网络，获得合适的信号强度，进行ad/dc切换开关后，送到可控增益放大器，将不同幅度的信号放大为幅度大致相同的信号，经高速a/d转换获得两路独立的数字信号，同时触发电路完成触发功能，使波形能够平稳地显示。
1.1.1 衰减与ad/dc转换电路
图2为虚拟示波器的衰减与ad/dc转换电路图。
图2中，r1、r2、r3、c1 和r4、c2组成1：10的分压网络，通过cpu控制三极管q1、q2 和继电器k1、k2 分别控制进行1/10的衰减与ad/dc切换控制。
1.1.2 可控增益放大器
虚拟示波器需设计宽范围可调节的增益放大电路器，以实现10mv～±200v范围内的输入电压采样。本系统采用模拟多路器切换运放的反馈电阻，以达到改变增益的目的，其电路图如图3所示。
图3中，u1内部包含两通道jfet高输入阻抗的运放，前级为跟随器，以满足示波器的高输入阻抗要求，第2级为可控增益放大器，由模拟多路器和运放共同构成。
1.1.3 a/d转换电路
虚拟示波器的a/d 转换器采用linear 公司的ltc2289，它的采样频率可达80mhz，有2个独立通道，可选内部参考或外部参考。本文选用内部参考。
1.2 虚拟示波器信息处理部分硬件设计
虚拟示波器信息处理部分主要包括fpga 系统和usb通信部分，其组成方框图如图4所示。
图4中，虚拟示波器模拟输入通道的模拟信号经a/d转换后获得数字信号，经过1个数据缓冲器输入到fpga，fpga通过逻辑电路和niosⅱ管理将数据进行存储、上传等。sram用于缓存采样数据；flash用于存储niosⅱ应用程序，并实现系统上电时将程序加载至sdram中。
系统选择的usb接口芯片cy7c68001为usb2.0标准控制器，其可工作在高速或全速状态，支持4个可配置共享4kb fifo空间的端点，并具有一个标准8位或16位主机接口，非常适合做高速usb接口。
2 虚拟示波器sopc系统构建及niosⅱ软件开发
2.1 虚拟示波器sopc系统构建
本文采用altera公司的niosⅱ软核处理器，并利用fpga设计虚拟示波器系统。altera 公司的niosⅱ软核处理器是一个32位risc嵌入式处理器，具有5级流水线、采用数据和指令分离的harvard结构、提供众多标准外设和软件集成开发环境。
进行基于nios ⅱ 的sopc 系统开发时，可利用altera提供的sopc插件，进行外设和cpu的配置，并提供自定义ip的构建方法。在虚拟示波器系统中，需要开发符合avalon总线的示波器模块，并加入到自定义ip中。示波器模块实体程序如下：
在sopc插件中，将示波器模块等自定义模块集成为ip核，分别将niosⅱjtag＿uart、flash以及sram等ip核加入虚拟示波器系统中，sopc系统配置图如图5所示。
配置完成后，生成系统，并在quartusⅱ中进行引脚配置，然后综合、布线，生成配置文件，通过jtag 对fpga进行配置，即可获得虚拟示波器系统的信息处理部分硬件电路。
2.2 niosⅱ软件开发
实践证明，当系统的复杂程度达到一定时，采用嵌入式操作系统不仅会简化程序员工作、提高cpu利用率，而且会提高系统可靠性。因此本系统的下位机软件采用嵌入式操作系统。microc/os-ⅱ是1个性能优良的嵌入式多任务实时操作系统，稳定度高、安全性好；同时niosⅱ开发环境中集成了性能良好的、免费的microc/os－ⅱ估算版，因此虚拟示波器系统采用该操作系统。
niosⅱ的软件开发一般采用分层的方式进行，它采用类似linux的设备文件系统来管理设备，采用hal（硬件抽象层）完成硬件相关设备的封装操作，因此每个cpu外设都需要有相应的驱动程序。虚拟示波器系统中，niosⅱ的驱动分层结构如图6所示。
虚拟示波器系统需要为定义的ip设计相应的驱动程序，对于最底层与硬件相关的操作，niosⅱ提供了iowr（base，offerset，data）和iord（base，offerset）2个宏，分别用于对寄存器的读、写操作。这里，base为虚拟示波器驱动程序的基地址，其自动生成；offerset为指被操作的寄存器在该设备中的偏移地址。
2.3 嵌入式usb协议栈开发
usb协议复杂，虚拟示波器系统开发的usb协议栈基于microc/os－ⅱ，并采用了如图7的分层结构，以减少开发调试的难度。
硬件抽象层和命令接口层都与硬件相关，硬件抽象层负责对sx2的寄存器进行读写操作，而命令接口则实现与sx2的工作方式有关的操作；协议层与平台无关，其主要完成usb的枚举及各端口数据处理；应用层完成对提供调用的函数进行封装，应用层提供了简单的api接口，其利用senddata函数发送数据到主机，同时利用recdata函数从主机接收数据以及厂商请求的函数，上层程序只要简单地调试这3个函数而无需关注usb协议，即可完成虚拟示波器的usb通信。
3 虚拟示波器上位机软件设计
3.1 虚拟示波器usb通信的封装
虚拟示波器上位机程序采用labwindows/cvi开发，其本身并不支持usb通信，因此采用了调用外部模块的方法。采用vc++编写程序，将usb通信底层函数进行封装，编译成dll，再供labwindows/cvi进行调用。为此，将动态链接库的头文件和dll文件导入进工程，生成1个fp的驱动器，这时虚拟示波器系统就可以直接调用dll里面提供的函数。
3.3 虚拟示波器面板程序的开发
图8中，用户对虚拟示波器面板上的垂直幅度调节、水平宽度调节等按钮操作时，系统会将相应的操作命令传送给下位机，并由下位机调节垂直幅度和水平时基等，从而实现用户对虚拟示波器系统的操作。
4 测试结果
采用fpga处理器和altera公司的niosⅱ软核完成虚拟示波器系统设计后，进行了多次测试，其性能指标如表1所示。
由表1可知，该虚拟示波器达到了一般模拟示波器的指标。然而由于本系统采用虚拟仪器技术，在功能上增加单次采样、波形保存等功能，因此与普通示波器相比，其成本低廉，操作界面更友好、简便。
5 结论
本文以labwindows/cvi为开发平台，设计了1种双通道虚拟示波器，该示波器利用fpga 中嵌入的niosⅱ软核构成的sopc系统，完成虚拟示波器各模块的管理；利用嵌入式usb协议，配合片外的模拟信号处理模块，通过usb总线，完成各种波形数据的采集，经上位机软件完成了波形显示和数据分析，并实现了仪器的各种操作功能。实际测试结果表明，该虚拟示波器达到了或优于一般模拟示波器的性能指标。
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1 虚拟示波器硬件电路设计
1.1 虚拟示波器数据采集通道电路设计
为减少虚拟示波器对被测电路的影响，要求虚拟示波器数据采集通道的输入阻抗在1mω以上，因此必须设计合适的衰减器和可控增益的放大器。虚拟示波器数据采集通道的原理方框图如图1所示。图1中，虚拟示波器的2个通道完全对称，且相互独立。从探头进来的信号经过衰减网络，获得合适的信号强度，进行ad/dc切换开关后，送到可控增益放大器，将不同幅度的信号放大为幅度大致相同的信号，经高速a/d转换获得两路独立的数字信号，同时触发电路完成触发功能，使波形能够平稳地显示。
1.1.1 衰减与ad/dc转换电路
图2为虚拟示波器的衰减与ad/dc转换电路图。
图2中，r1、r2、r3、c1 和r4、c2组成1：10的分压网络，通过cpu控制三极管q1、q2 和继电器k1、k2 分别控制进行1/10的衰减与ad/dc切换控制。
1.1.2 可控增益放大器
虚拟示波器需设计宽范围可调节的增益放大电路器，以实现10mv～±200v范围内的输入电压采样。本系统采用模拟多路器切换运放的反馈电阻，以达到改变增益的目的，其电路图如图3所示。
图3中，u1内部包含两通道jfet高输入阻抗的运放，前级为跟随器，以满足示波器的高输入阻抗要求，第2级为可控增益放大器，由模拟多路器和运放共同构成。
1.1.3 a/d转换电路
虚拟示波器的a/d 转换器采用linear 公司的ltc2289，它的采样频率可达80mhz，有2个独立通道，可选内部参考或外部参考。本文选用内部参考。
1.2 虚拟示波器信息处理部分硬件设计
虚拟示波器信息处理部分主要包括fpga 系统和usb通信部分，其组成方框图如图4所示。
图4中，虚拟示波器模拟输入通道的模拟信号经a/d转换后获得数字信号，经过1个数据缓冲器输入到fpga，fpga通过逻辑电路和niosⅱ管理将数据进行存储、上传等。sram用于缓存采样数据；flash用于存储niosⅱ应用程序，并实现系统上电时将程序加载至sdram中。
系统选择的usb接口芯片cy7c68001为usb2.0标准控制器，其可工作在高速或全速状态，支持4个可配置共享4kb fifo空间的端点，并具有一个标准8位或16位主机接口，非常适合做高速usb接口。
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2.1 虚拟示波器sopc系统构建
本文采用altera公司的niosⅱ软核处理器，并利用fpga设计虚拟示波器系统。altera 公司的niosⅱ软核处理器是一个32位risc嵌入式处理器，具有5级流水线、采用数据和指令分离的harvard结构、提供众多标准外设和软件集成开发环境。
进行基于nios ⅱ 的sopc 系统开发时，可利用altera提供的sopc插件，进行外设和cpu的配置，并提供自定义ip的构建方法。在虚拟示波器系统中，需要开发符合avalon总线的示波器模块，并加入到自定义ip中。示波器模块实体程序如下：
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4 测试结果
采用fpga处理器和altera公司的niosⅱ软核完成虚拟示波器系统设计后，进行了多次测试，其性能指标如表1所示。
由表1可知，该虚拟示波器达到了一般模拟示波器的指标。然而由于本系统采用虚拟仪器技术，在功能上增加单次采样、波形保存等功能，因此与普通示波器相比，其成本低廉，操作界面更友好、简便。
5 结论
本文以labwindows/cvi为开发平台，设计了1种双通道虚拟示波器，该示波器利用fpga 中嵌入的niosⅱ软核构成的sopc系统，完成虚拟示波器各模块的管理；利用嵌入式usb协议，配合片外的模拟信号处理模块，通过usb总线，完成各种波形数据的采集，经上位机软件完成了波形显示和数据分析，并实现了仪器的各种操作功能。实际测试结果表明，该虚拟示波器达到了或优于一般模拟示波器的性能指标。
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