基于S3C2440的可視化多功能波形發(fā)生器的設(shè)計

張傳勝

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

目前，隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代仿真和測試技術(shù)的發(fā)展，激光器控制系統(tǒng)對波形發(fā)生裝置的需求越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的函數(shù)發(fā)生器雖然性能優(yōu)越，卻無法滿足激光器控制系統(tǒng)的實際測試需求，同時成本也較高。利用FPGA芯片作為處理核心，配置成直接數(shù)字式頻率綜合器是一種新穎的頻率合成技術(shù)，在專用的測試場合得到了快速的發(fā)展。這種方法具有適合復(fù)雜控制信號、輸出穩(wěn)定度高等優(yōu)點。但由于FPGA芯片在觸控式人機交互界面的方面設(shè)計比較復(fù)雜，因此一般不具備良好的操作性和擴展性。本文基于Samsung公司的S3C2440處理器和Altera公司的FPGA芯片設(shè)計了一種可視化多功能波形發(fā)生器的解決方案［1－5］。其中S3C2440處理器負(fù)責(zé)處理人機交互，F(xiàn)PGA芯片負(fù)責(zé)頻率合成。在使用可視化多功能波形發(fā)生器時利用觸摸屏輸入需要的參數(shù)，即可實現(xiàn)特定波形的輸出。

2 總體設(shè)計

平臺的硬件部分由S3C2440微處理器、Altera公司的 FPGA 芯片 EPF10K10LC84－4、480×272分辨率的TFT液晶屏、電阻式觸屏、FLASH 存儲器等組成［6－11］?？傮w硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體硬件設(shè)計Fig.1 Hardware design

系統(tǒng)通過觸摸屏設(shè)定控制參數(shù)，并把頻率和相位參數(shù)傳遞給FPGA模塊，生成波形信號的頻率和相位，同時把幅度參數(shù)傳給DAC0832，得到波形的振幅，進而生成需要的波形信號。

由于S3C2440集成了液晶屏連接模塊、觸屏A／D轉(zhuǎn)換模塊、JATG開發(fā)接口、串口通信模塊和NAND FLASH 存儲器接口，只需要驅(qū)動DAC0832，并把FPGA模塊設(shè)定成DDS即可。

系統(tǒng)的主控界面如圖2所示，在此界面中可以設(shè)定波形樣式及其參數(shù)。

圖2 參數(shù)輸入的界面Fig.2 Parameter input interface

3 DDS設(shè)計

預(yù)定波形的形成是由FPGA芯片定制的直接數(shù)字式頻率綜合器DDS（Direct Digital Synthesizer）完成的，其實質(zhì)是一種分頻器，通過編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時鐘進而產(chǎn)生所需的頻率。

DDS有兩個突出的特點：一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48bit或者更高），頻率分辨率高；另一方面，DDS工作在數(shù)字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應(yīng)改變，其跳頻速率高。

其工作原理如圖3所示。

圖3 DDS工作原理Fig.3 Principle of the DDS

每當(dāng)一個時鐘脈沖Fc到來，則N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)K 與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)進行相加，并把相加的結(jié)果Y送至累加寄存器的輸入端。

累加寄存器的作用有2個方面，一方面將新產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋給N位加法器的輸入端，以使N位加法器在下一時鐘到來時繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)K相加；另一方面將這個新產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)作為取樣地址值送入幅度／相位轉(zhuǎn)換電路，幅度／相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個地址找到相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。該波形數(shù)據(jù)經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器處理后形成所需要的波形。

相位累加器在基準(zhǔn)時鐘Fc的作用下，進行線性累加，每當(dāng)相位累加器加滿溢出，DDS就完成了一個周期的波形輸出。

圖4 波形仿真效果Fig.4 Waveform simulation results

由于在Altera公司的FPGA資源庫中有現(xiàn)成的DDS IP模塊，因此本系統(tǒng)直接利用Altera公司的FPGA資源庫中給定IP核進行構(gòu)建，然后通過ModelSim仿真軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

4 軟件設(shè)計與實測

由于使用S3C2440處理器和FPGA構(gòu)成DDS系統(tǒng)，因此外圍電路變得異常簡單。整個波形發(fā)生器的主程序只需要對S3C2440處理器進行控制即可。其中DDS系統(tǒng)與單片機的接口用VHDL語言編寫。系統(tǒng)通過觸摸屏設(shè)定控制參數(shù)，并把頻率和相位參數(shù)傳遞給FPGA模塊，生成波形的頻率和相位，同時把幅度參數(shù)傳給DAC0832，獲得波形的振幅信息，進而生成需要的波形信號。算法流程如圖5所示。

圖5 控制算法Fig.5 Control algorithm

系統(tǒng)的波形信號通過數(shù)字示波器監(jiān)測進行效果驗證，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 通過示波器實測的效果Fig.6 Measurement result displayed in the oscilloscope

由于DAC0832是8位分辨率，每次轉(zhuǎn)換時間為最短為0.1μs，因此本系統(tǒng)的輸出波形最大頻率不能超過5MHz。從圖中可以看出，系統(tǒng)在輸出5MHz波形的情況下可以很好地滿足激光器控制信號的實際需求。

5 結(jié) 論

上述可視化多功能波形發(fā)生器采用S3C2440處理器驅(qū)動TFT液晶屏、觸摸屏，并利用EPF10K10LC84－4芯片按照Altera公司的FPGA資源庫中給定IP核定制出適合的DDS，實現(xiàn)多功能波形發(fā)生器的功能，適用于控制系統(tǒng)中有多種波形需求的場合。通過仿真和實際應(yīng)用測試結(jié)果可知，可視化多功能波形發(fā)生器可以滿足激光器控制系統(tǒng)的需求，具有成本低、實用性強、可定制、方便調(diào)試的優(yōu)點。

［1］但永平，彭紅濤，王東云，等.EDMA在圖像數(shù)據(jù)快速傳輸中的應(yīng)用［J］.液晶與顯示，2013，28（1）：99－104.Dan Y P，Peng H T，Wang D Y，et al.Application of EDMA in rapid transmission of image data［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（1）：99－104.（in Chinese）

［2］趙星，王芳，楊勇，等.集成成像三維顯示系統(tǒng)顯示性能的研究進展［J］.中國光學(xué)，2012，5（3）：209－221.Zhao X，Wang F，Yang Y，et al.Research progress of display performance of integral imaging three－dimensional display system ［J］.Chinese Optics，2012，5（3）：209－221.（in Chinese）

［3］姜漫，吳志勇，曹騰.基于SOPC技術(shù)的 VGA字符和圖像顯示系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2013，28（1）：120－126.Jiang M，Wu Z Y，Cao T.Characters and images VGA display system based on SOPC technology ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（1）：120－126.（in Chinese）

［4］鄧春健，安源，呂燚，等.顯示信息高速串行傳輸?shù)牟铄e控制［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（3）：632－642.Deng C J，An Y，Lv Y，et al.Error control of high speed serial display data transmission［J］.Optics and Precision Engineering，2012，20（3）：632－642.（in Chinese）

［5］劉希佳，陳宇，王文生，等.小目標(biāo)識別的小波閾值去噪方法［J］.中國光學(xué)，2012，5（3）：248－256.Liu X J，Chen Y，Wang W S，et al.De－noising algorithm of wavelet threshold for small target detection［J］.Chinese Optics，2012，5（3）：248－256.（in Chinese）

［6］王健，陳洪斌，周國忠，等.改進的Brenner圖像清晰度評價算法［J］.光子學(xué)報，2012，41（7）：855－858.Wang J，Chen H B，Zhou G Z，et al.An improved brenner algorithm for image definition criterion［J］.Acta Photonica Sinica，2012，41（7）：855－858.（in Chinese）

［7］張傳勝，鄭寒雨，鄧江東.基于SOPC的通用液晶觸摸屏控制器的設(shè)計［J］.液晶與顯示，2013，27（5）：638－641.Zhang C S，Zheng H Y，Deng J D.Control unit design for TFT touching screen based on SOPC［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，27（5）：638－641.（in Chinese）

［8］程少園，胡立發(fā)，曹召良，等.液晶自適應(yīng)光學(xué)在人眼眼底高分辨率成像中的應(yīng)用［J］.中國激光，2009，36（10）：2524－2527.Cheng S Y，Hu L F，Cao Z L，et al.Application of liquid crystal adaptive optics system on human eye fundus imaging with high spatial resolution［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（10）：2524－2527.（in Chinese）

［9］熊根良，陳初海，梁發(fā)云，等.物理性人－機器人交互研究與發(fā)展現(xiàn)狀［J］.光學(xué)精密工程，2013，21（2）：356－370.Xiong G L，Chen C H，Liang F Y，et al.Research and development statue of physical human－robot interaction［J］.Optics and Precision Engineering，2013，21（2）：356－370.（in Chinese）

［10］韓瑞雨，王晉疆，聶凱，等.不同對比度下自適應(yīng)的自動調(diào)焦新算法［J］.光子學(xué)報，2012，41（2）：222－227.Han R Y，Wang J J，Nie K，et al.Adaptive autofocus technique under different contrast［J］.Acta Photonica Sinica，2012，41（2）：222－227.（in Chinese）

［11］宋搖超，王瑞光，陳宇，等.LED顯示屏色域邊界的快速計算［J］.發(fā)光學(xué)報，2013，34（7）：924－929.Song Y C，Wang R G，Chen Y，et al.Fast calculation of color gamut boundary for LED display panel［J］.Chinese Journal of Luminescence，2013，34（7）：924－929.（in Chinese）