基于NiosII 软核的SOPC在数字存储示波器设计中的应用方法研究与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.01MB 51 页 15积分

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摘要

可编程片上系统SOPC（System On a Programmable Chip）设计是一个崭新的

嵌入式系统设计方向，它试图将尽可能大而完整的电子系统在单一的SOPC芯片中

实现，这种技术已经被业界广泛接受。与此同时，高性能、低功耗、微型化是现

代数字示波器发展的一个方向，SOPC技术的出现为数字存储示波器带来了一种新

的开发技术。

本文研究了基于SOPC技术的数字存储示波器的一种实现方案。在这种方案

中，使用了在SOPC中嵌入NiosII软核CPU作为控制核心，并用SOPC芯片中剩余的

其他可编程逻辑资源构成该嵌入式系统的外围器件，形成数字示波器的数字核心

模块，并配以模拟通道部分电路，组成了一个完整的数字示波器。

系统采用一种新型的基于 NiosII 的SOPC 数据采集显示设计方法。该设计有

效地解决了单片机领域中速度较慢的 CPU 和高速 A/D 转换器之间的速度匹配问

题。另外，利用 DMA 直接内存存取的数据传输技术，提高了系统的整体性能，解

放了 CPU，解决了海量数据的高速采集与显示的问题。SOPC 芯片采用的是

ALTERA 公司的 EP3C5E144，该系统以 SOPC 为核心，体现了 SOPC 系统集成度

高、灵活性强的特点，并缩短了产品的开发周期。

关键词：SOPC DMA 数据采集与显示

ABSTRACT

SOPC is a new technology for system design and is also broadly accepted. It

implements as large and integrated electronical system as possible in a simplex chip.

Simultaneously, high performance, low power-cost and micromation have become one

of the orientations of portable digital storage oscilloscope(DSO). SOPC brings another

develop technology to it.

The content of this dissertation is about one of solution of digital portable,

dualchannel , store oscilloscope which is based on SoPC technology. In this solution,

theembedded soft CPU IP core is used as the kernel digital module with its

peripherycontrollers based on residual LEs.In addition, analog channel circuit is added

to forman integrated DSO system.

One of design method of SOPC data gathering and displaying system based on

NiosII is introduced in this paper. It effectively solves problem in cooperation between

high speed AD conversion and lower CPU on the SCM. By using this direct memory

access transfer technology improved the system characters, enhanced CPU efficiency,

solved the problem of data gathering and displaying. EP3C5E144 of Altera is chosen as

SOPC of this system. SOPC is the core of the system, showing high integration,

flexibility, expandability of SOPC and reduction of the time of development of product.

KeyWords：SOPC, DMA, Data Acquisition and Display

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

§1.1 论文研究目的和意义 ..................................... 1

§1.2 论文的研究内容 ......................................... 2

§1.3 论文结构 ............................................... 2

第二章 SOPC 技术特点及开发概述 ................................... 4

§2.1 SOPC 系统特点及开发流程 ................................ 4

§2.2 NiosII 软核处理器 ...................................... 6

§2.3 AVALON 总线技术的介绍 .................................. 7

§2.4 IP Core 技术 ........................................... 8

§2.4.1 IP Core 的技术特点 ............................... 8

§2.4.2 设计复用技术 ..................................... 9

第三章系统总体设计 ............................................. 11

§3.1 系统总体设计 .......................................... 11

§3.2 数据采集处理技术 ...................................... 12

§3.2.1 采集处理技术理论 ................................ 12

§3.2.2 插值原理 ........................................ 12

§3.2.3 DMA 流模式 ...................................... 13

§3.3 基于 DMA 流模式传输的数据采集 .......................... 13

§3.3.1 流模式传输规范 .................................. 13

§3.3.2 流模式传输的数据采集 ............................ 14

§3.4 高速缓存的实现 ........................................ 14

§3.5 数据存储器读写模块 .................................... 15

§3.6 数据显示处理技术 ...................................... 16

§3.6.1 显示介质的选用 .................................. 16

§3.6.2 双口 RAM 的显示缓冲区存储 ....................... 17

§3.6.3 DMA 流模式的显示传输设计 ........................ 18

§3.6.4 显存读写冲突处理 ................................ 18

第四章系统硬件设计 ............................................. 20

§4.1 外围电路的构建 ........................................ 20

§4.1.1 电源电路设计 .................................... 20

§4.1.2 前端调理电路设计 ................................ 20

§4.1.3 高速 A/D 采集电路设计 ............................ 21

§4.1.4 串行通信电平转换电路设计 ........................ 23

§4.2 SOPC 硬件资源配置 ..................................... 25

§4.2.1 SOPC 配置电路设计 ............................... 25

§4.2.2 SOPC 系统硬件创建与集成 ......................... 26

第五章系统软件设计规划 ......................................... 33

§5.1 软件开发环境 .......................................... 33

§5.2 系统总体软件体系结构 .................................. 34

§5.3 基于 NiosII 的软件设计 ................................. 36

§5.4 基于 Nios IDE 的软件设计平台 ........................... 42

第六章总结与展望 ............................................... 44

参考文献 ........................................................ 45

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 48

致谢 ........................................................... 49

第一章绪论

§ 1.1 论文研究目的和意义

在当今嵌入式系统的开发领域中，深亚微米技术的蓬勃发展，可编程逻辑器

件也随即普遍[1]。嵌入式平台的开发方法和CPU重新构建设计技术的不断涌现，在

以IP Core库为基础的设计中，使用软硬件协同设计技术设计嵌入式的方法，SOC

设计已经成为现在嵌入式系统设计的主流。在SOC基础上，可编程片上系统

SOPC(System On Programmable Chip)的设计技术是当今嵌入式领域中发展出来的

一种全新技术。特点是可裁减、设计方式灵活、可扩充、可升级以及软硬件都可

在系统中编程实现。所以，在嵌入式片上系统开发设计中，SOPC必将成为一种高

效的解决方案为未来嵌入式系统设计提供强大的理论，成为未来嵌入式技术的主

导力量。

现代检测技术的理论基础包括信号处理技术、计算机技术以及数据采集技术、

传感器技术。随着科学技术的蓬勃发展，数据采集、数据存储、数据信号处理、

显示信号波形广泛的应用在宇航设计领域中，如飞机在风洞颤振与抖振特性的测

量、火箭喷气流量的动态测试，以及遥感卫星的图像传输遥测遥控、激光雷达、

等离子体诊断、激光化学与生物光谱等科学实验中，我们分析得到的实验数据将

通过电脑的串口通讯技术等通讯设备传递给我们。

本课题的研究意义为基于软硬件协同设计的设计方法学和IP设计复用技术理

论，设计开发出一种基于SOPC的数据采集处理示波器系统[2]。在系统中实现一个

基于FPGA(Field Programmable GateArray)和IP Cores(Intellectual Property Cores)的

SOPC，完成对多通道数据采集、大量数据的存储和处理、驱动LCD实时显示采集

数据波形以及通过串口与PC机通讯等功能。

研究设计本课题对采集显示系统具有一定的参考价值。总的来说，本文研究

实现了一种高速的基于 SOPC 的数据采集显示处理示波器系统，在科学实验和电

子产品开发设计中具有可观的实用价值。从设计实现的角度来看，使用 FPGA 和

IP Cores 的SOPC 为基础的设计方式来实现本课题的系统，成为一种全新的设计理

念。本课题所设计的系统将具备可编程能力和实时处理能力，体现了软硬件协同

设计在系统中的作用，这是当前电子产品中所不多见的强大功能。整个系统设计

中采用的关键技术包括了 FPGA 技术和 IP Cores 的SOPC 设计、数据采集、数据

存储与数据处理、数据波形的实时显示以及串口通讯技术。对这些技术的深入研

究探讨既有理论研究价值，又有实用价值。

基于 NiosII 软核的 SOPC 在数字存储示波器设计中的应用方法研究与实现

§ 1.2 论文的研究内容

本课题中研究目标是实现一种基于SOPC的数据采集显示处理示波器系统，

SOPC、多通道数据采集、LCD显示数据波形以及串口通讯四大功能模块构成了整

个系统。在课题中将分别对各大功能模块中涉及到的相关技术进行全面的分析与

实现[4]：

1）整个系统的核心部分是SOPC设计实现，是对FPGA和IP Core的SOPC的设

计综合，文中首先介绍了SOPC的技术特点和开发概述，介绍了SOPC的系统特点

和主要的开发流程、IP Core的技术特点、IP设计复用技术和软硬件协同设计的设

计方法学，对当前SOPC设计技术的特点进行了深入分析，对本研究设计中SOPC

的核结构性能进行了分析，研究了基于SOPC的嵌入式系统开发环境EDK和集成软

件环境的QuartusII, NiosII,Nios IDE的开发流程，Avalon总线，NiosII处理器和IP复

用技术的介绍为数据采集处理示波器系统的SOPC设计提供了强大的理论基础。

2）使用总分的方式对数据采集显示技术进行讨论，分析介绍了总体系统打开

发流程然后在分别介绍了数据采集和数据显示的技术，在数据采集和显示的技术

上使用了XX公司的高速模数转换芯片ADS5102，探讨了围绕保证采集信号完整

性、信噪比等关键性能指标进行数据采集卡的设计；研究探讨了使用DMA技术在

采集和显示中关键技术，解决了普通单片机系统中对CPU的依赖性使显示的数据

更加流畅还对在设计PCB板时如何实现高速ADC的抗干扰以及整个系统电磁兼容

性问题进行了讨论[5]。

3）系统通过软件硬件驱动LCD显示A/D采集到的数据信号波形实现示波器功

能，本研究介绍了使用LCD模块的型号CAl2864C的硬件结构和接口电路，如何通

过DMA技术对CAl2864C液晶屏驱动。分析了液晶显示控制器的逻辑原理、操作规

则和显示控制方式，在此基础上研究通过DMA流模式的技术将波形显示在LCD上

这样解放了MCU，使采集到的数据很完整的显示在LCD上。

4）在串口通讯的设计中，在SOPC中加载了串口接口控制IPCore－opb_uartlite

的功能结构和驱动方式，在此基础上进行串口通讯实现数据的采集与显示。

5）为了使数据传输达到高速的效果，在本系统中采用了两片双口 RAM 作为

数据缓冲模块，通过 DMA 流模式进行数据传输，在读写冲突处理中本系统采用乒

乓操作使读写相互独立运行，从而保证了系统的信号传输稳定性。

§ 1.3 论文结构

本课题是由6章构成，课题研究的意义和目的、研究内容将在第1章中介绍。第

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摘要：

摘要可编程片上系统SOPC（SystemOnaProgrammableChip）设计是一个崭新的嵌入式系统设计方向，它试图将尽可能大而完整的电子系统在单一的SOPC芯片中实现，这种技术已经被业界广泛接受。与此同时，高性能、低功耗、微型化是现代数字示波器发展的一个方向，SOPC技术的出现为数字存储示波器带来了一种新的开发技术。本文研究了基于SOPC技术的数字存储示波器的一种实现方案。在这种方案中，使用了在SOPC中嵌入NiosII软核CPU作为控制核心，并用SOPC芯片中剩余的其他可编程逻辑资源构成该嵌入式系统的外围器件，形成数字示波器的数字核心模块，并配以模拟通道部分电路，组成了一个完整的数字...

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