CN104504975A - 基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台，属于电子技术教学设备和虚拟仪器技术领域，该平台包括FPGA硬件电路板，其特征在于还包括PC机、存储在PC机中的基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序及FPGA配置数据开发程序和存储在FPGA硬件电路板配置芯片中的系统配置数据；所述FPGA硬件电路板包括FPGA芯片及其控制电路、FPGA配置芯片、USB通信模块、信号转换模块、电源管理模块和外设模块。该平台可实现示波器、信号发生器、直流电源以及FPGA开发板的功能。学生只需携带该实验平台和笔记本电脑，即可随时随地开展数字电路、模拟电路和FPGA实验，在便携、功能和性能上满足学生开展电子技术实验的基本要求。

Description

基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台
技术领域
本发明属于电子技术教学设备和虚拟仪器技术领域，特别涉及数字电路和模拟电路教学实验装置。
背景技术
数字集成电路(Digital Integrated Circuit,简称数字IC)从功能上分为通用型和专用型两大类。
通用型的数字IC在出厂之后，设计者可以基于它实现各种各样的具体应用。例如，一片与非逻辑运算IC，既可以用于实现加法运算电路，又可以用于实现多人表决器电路。但这片IC始终实现与非逻辑运算，不能通过编程设定来实现其它逻辑运算。
专用型的数字IC则针对特定的应用而设计。例如，为数字称重计专门设计的IC，它只能用于开发和数字称重有关的应用；为媒体播放而专门设计的IC，它主要应用于媒体播放设备中。
通用型的数字IC的特点是生产批量大，单片的生产成本低。而专用型的数字IC针对特定的应用生产，批量相对较小，单片的生产成本高。
FPGA(现场可编程门阵列Field Programmable Gate Array)芯片是专用型数字IC发展的一个分支，是一种可编程逻辑器件。一方面，FPGA按通用器件进行生产，并非针对特定应用而定制，它具有通用型数字IC生产成本低的特点；另一方面，在FPGA芯片出厂之后，设计者可以对它的逻辑功能进行编程设定，获得具体应用的单芯片解决方案，从而兼具专用型IC的优点。随着半导体工艺的不断发展，IC的集成度不断提高，单片FPGA内可以集成越来越多的逻辑单元。通过对这些逻辑单元进行配置和连接，利用单片FPGA就可以实现很多复杂的特定应用。
作为数字集成电路的最新发展分支，目前FPGA已经在电子产品开发中得到越来越多的应用。FPGA的组成和工作原理以及基于FPGA的数字电路设计，已经成为高校电子技术相关课程的一个重点教学内容。
目前，在电子技术课程的教学实验环节，如清华大学自动化系本科阶段的数字电路实验、模拟电路实验、电子技术课程设计等，为每个学生配备一套实验设备，包括直流稳压电源、数字信号发生器、数字示波器、FPGA开发板。
其中直流稳压电源为学生的数字和模拟实验电路提供5V、±12V等常用的直流电源供电。数字信号发生器为实验电路提供输入信号。数字示波器用于对实验电路中各点的波形进行观测。
这些设备在市场上都已经有成熟的产品，可以满足学生在实验室开展电子技术实验的需求，但由于它们体积大、重量重且价格昂贵，不适合给每位学生都配备一套，以便在实验室以外的地方便携式使用。而为了更好地培养学生的创新精神和实践动手能力，需要为学生创造更自由的实验空间和更开放的实验环境，支持随时随地的自主实验探究。
随着现代电子测量技术的发展，一种基于集成电路与计算机技术的新型仪器——虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)应运而生。这是一种计算机仪器系统，与传统的仪器相比，它拥有更多的功能、更高的处理速度、更大的带宽、更友善的界面，并且体积小、扩展性好。虚拟仪器一般基于计算机(PC)平台，因此可以方便地使用PC的软硬件资源，并且具有灵活的数据处理能力。将虚拟仪器引入到高校实验教学中，可有效降低实验仪器成本，并提高实验教学水平与教学质量，是高校实验课程改革与发展的新趋势。
虚拟仪器技术出现于20世纪80年代末90年代初。一方面，它通过I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，然后利用PC强大的计算能力实现信号数据的运算、分析和处理，从而完成各种测试功能。另一方面，它利用PC上的显示界面模拟传统的测试仪器控制面板，以多种形式输出测试结果。
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是业界主流的利用PC的虚拟仪器开发平台，它由美国NI(National Instrument)公司推出。LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发程序软件，目前已广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制程序软件。利用LabVIEW，可以很方便地建立起自己所需的虚拟仪器。
LabVIEW采用面向对象设计方法，同时具有极好的模块化性能，用它编写的程序被称为VI,由交互式用户接口、数据流程图和图标连接端口构成。一个VI既可以作为单独的程序来运行，也可以作为其它程序的子程序来调用。
用LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW开发程序软件，最终用户可以在PC机屏幕上看见的是和实际的数字信号发生器、数字示波器相似的控制面板。
目前国际市场上已出现一些采用虚拟仪器技术、集数据采集和信号发生为一体的电子技术实验装置，如Digilent公司的Electronics Explorer Board。
Electronics Explorer Board(EEB)是Digilent公司推出的包含虚拟仪器的综合电子实验平台。EEB上集成了直流电源、信号发生器、示波器和逻辑分析仪的功能，并同时整合了一块面包板，可以供学生进行电路的安装，并完成数字信号和模拟信号的测量。
虽然EEB在虚拟测试方面功能强大，但它没有集成学生实验中常用的FPGA开发板功能，不能开展基于FPGA的数字电路设计训练项目。此外，其直流电源输出未涵盖模拟电路实验中常用的±12V。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于现场可编程门阵列芯片的便携式综合电子实验平台，该平台可实现示波器、信号发生器、直流电源以及FPGA开发板的功能。它通过USB接口连接至PC，在PC上显示虚拟仪器控制面板，从而实现进一步的测量和控制。学生只需携带该实验平台和笔记本电脑，即可随时随地开展数字电路、模拟电路和FPGA实验，在便携、功能和性能上满足学生开展电子技术实验的基本要求。
本发明提出的一种基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台，包括FPGA硬件电路板，其特征在于还包括PC机、存储在PC机中的基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序及FPGA配置数据开发程序和存储在FPGA硬件电路板配置芯片中的系统配置数据；所述FPGA硬件电路板包括FPGA芯片及其控制电路、FPGA配置芯片、USB通信模块、信号转换模块、电源管理模块和外设模块。
所述FPGA芯片内部可集成可编程输入输出单元、静态随机存储器、可编程寄存器、可编程逻辑模块、可编程连接线和锁相环；其中，通过对锁相环进行动态配置，产生高频矩形波信号；可编程输入输出单元用于实现硬件电路板上的USB通信模块和外设模块与FPGA芯片的连接；SRAM用于保存配置数据，可编程逻辑模块和可编程连接线根据配置数据的不同，工作在不同的状态，从而实现不同的功能。
所述FPGA芯片控制电路可实现对FPGA芯片配置方式的控制，支持AS和JTAG配置模式；在AS模式下，FPGA芯片上电后，自动将FPGA配置芯片中的配置数据装载到FPGA芯片的SRAM中，对FPGA芯片内部的硬件资源进行配置；在JTAG模式下，FPGA芯片上电后，将接收来自PC机的用户配置数据，并把它写入SRAM中，从而对FPGA芯片内部的资源进行配置；通过将FPGA芯片控制电路设置为AS模式，FPGA芯片上电后，将自动获取保存在FPGA配置芯片中的系统配置数据，把它装载到SRAM中。而在此后的任意时刻，如果FPGA控制电路检测到有来自USB通信模块的用户配置数据，由于JTAG配置方式的优先级高于AS配置方式，FPGA芯片控制电路将会自动接收此用户配置数据，并把它写入SRAM，重新完成对FPGA芯片内部资源的配置。通过允许接收来自PC机的用户配置数据，将FPGA芯片中的资源开放给用户。用户利用这些资源和FPGA硬件电路板上的外设模块，开发和实现自己的功能，即把FPGA硬件电路板用作通用的FPGA开发板。
所述的FPGA配置芯片可用于存储实现示波器和信号发生器功能的系统配置数据；系统配置数据和用户配置数据均通过USB接口从PC机下载；系统配置数据采用JTAG间接配置(JIC)文件格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到JIC格式的系统配置数据后，将自动把它们写入到FPGA配置芯片中；用户配置数据通过SRAM目标文件(SOF)格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到SOF格式的用户配置数据后，将直接写入SRAM中。
所述FPGA硬件电路板上的USB通信模块可实现FPGA硬件电路板和PC机之间的数据交换，USB通信模块提供两个USB接口，其中一个接口用于从PC机下载FPGA配置数据，系统配置数据和用户配置数据都通过该接口下载；另外一个接口用于在PC机基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序和FPGA硬件电路板之间传输数据，这些数据包括信号发生器和示波器的设置参数、待测信号的采样数据。
所述的存储在FPGA硬件电路板FPGA配置芯片中的系统配置数据可给出利用FPGA芯片内部的可编程逻辑模块资源实现虚拟仪器应用的各功能模块，该功能模块主要包括主控制器模块、示波器模块和信号发生器模块这三个组成部分；其中主控制器模块负责与USB通信模块进行数据交换，并控制示波器模块进行信号采集，控制信号发生器模块完成波形产生功能；示波器模块是用于接收来自主控制器模块的参数，控制ADC芯片和PGA芯片的工作，通过对PGA芯片参数的自动配置，实现对大小输入信号的自适应测试，同时将采样数据通过主控制器模块从USB接口传输到PC机，在PC机上的虚拟仪器控制面板中进行显示；所述信号发生器模块是用于接收来自主控制模块的波形频率、幅度、偏置电平信息，然后生成与该波形相对应的数据，并将这些波形数据通过串行的方式输入给DAC芯片，再通过DAC芯片及其外围电路输出波形。
所述的示波器模块可由示波器主模块、分频器模块和数据缓存器这三个部分组成；示波器主模块接收来自主控制器模块的参数，并对PGA和分频器模块进行配置；分频器模块根据来自示波器主模块的分频系数，将来自ADC芯片的采样数据按一定的时间间隔写入数据缓存器中；通过调整分频器的分频系数，实现对ADC芯片实际采样率的自动调整；数据缓存器实现对采样数据的缓存。
所述的FPGA芯片还可包括扩展插槽，用于将FPGA芯片未被使用的输入输出端口用扩展插槽引出；利用该扩展插槽，对FPGA开发板的外设模块进行扩展。
本发明的技术方案与现有技术相比，有以下优点：
1、实现了直流稳压电源、数字示波器、数字信号发生器和FPGA开发板四合一功能的便携式综合电子实验平台，其功能和性能可以满足学生在电子技术实验中的基本需求。通过和PC上的虚拟仪器应用程序配合，即可方便地脱离实验室开展实验。
2、通过对FPGA配置方式的合理设计，使FPGA芯片可以在系统模式和用户模式之间切换。在系统模式下，FPGA芯片使用配置芯片中的系统配置数据，用于实现数字示波器和数字信号发生器的功能。在用户模式下，FPGA芯片可以接收来自PC机的用户配置数据，用作FPGA开发板。
3、在示波器模块的实现中，通过对可编程增益放大器芯片参数的自动配置，实现对大小输入信号的自适应测试。
4、在示波器模块的实现中，通过在模数转换器(ADC：Analog to Digital Converter)芯片后级加入分频器模块，控制采样数据写入数据缓存器的时间间隔。这样，通过调整分频器的分频系数，实现对ADC芯片实际采样率的自动调整。
5、通过对FPGA芯片内部的锁相环(PLL：Phase Locked Loop)进行动态配置，产生高频矩形波信号，避免了直接数字频率合成法(DDFS：Direct Digital Frequency Synthesis，)获得的高频矩形波存在相位抖动的不稳定问题。
6、通过扩展插槽将FPGA中未被使用的IO端口引出。通过此扩展插槽，不仅可以对FPGA开发板的外设模块进行扩展，增加键盘、LCD等输入输出设备；还支持将来对虚拟仪器的功能进行扩展，增加虚拟逻辑分析仪、虚拟频谱分析仪等功能模块。
附图说明
图1为本发明实验平台的总体构成。
图2为本发明的FPGA配置方式示意图。
图3为本发明的系统配置数据的组成及接口。
图4为本发明的示波器功能的实现方案。
图5为本发明的高频矩形波产生方案。
图6为本发明的PCB布局示意图。
图7为本发明的用户使用模式示意图。
具体实施方式
本发明提出的基于现场可编程门阵列芯片的便携式综合电子实验平台结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台的总体构成如图1所示。包括：FPGA硬件电路板及PC机、存储在PC机中的基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序及FPGA配置数据开发程序和存储在FPGA硬件电路板配置芯片中的系统配置数据。
FPGA的硬件电路板包括FPGA芯片及控制电路、FPGA配置芯片、USB通信模块、信号转换模块、电源管理模块和外设模块。
其中FPGA芯片是FPGA硬件电路板的核心。FPGA芯片内部集成了可编程输入输出单元、静态随机存储器(SRAM)、可编程寄存器、可编程逻辑模块、可编程连接线和锁相环(PLL)等资源。其中，通过对锁相环进行动态配置，产生高频矩形波信号。可编程输入输出单元用于实现硬件电路板上的USB通信模块和外设模块与FPGA芯片的连接；SRAM用于保存配置数据，硬件电路板掉电后，保存在SRAM中的配置数据将丢失。可编程逻辑模块和可编程连接线可根据配置数据的不同，工作在不同的状态，从而实现不同的功能。本发明实施例中的FPGA芯片采用Altera公司的Cyclone III系列芯片EP3C16Q240C8N。
FPGA芯片控制电路实现对FPGA芯片配置方式的控制。本实施例的Cyclone III系列的FPGA芯片的控制电路可采用AS(Fast Active Serial)和JTAG(Joint Test Action Group)模式来对FPGA进行配置。在AS模式下，FPGA芯片上电后，自动将FPGA配置芯片中的配置数据装载到FPGA芯片的SRAM中，对FPGA芯片内部的硬件资源进行配置。在JTAG模式下，FPGA芯片上电后，将接收来自PC机的用户配置数据，并把它写入SRAM中，从而对FPGA芯片内部的资源进行配置。本发明实施例中JTAG配置方式的优先级高于AS配置方式。
本发明中的FPGA配置芯片采用Altera公司的EPCS4，存储容量为4Mbit，它用于存储实现示波器和信号发生器功能的系统配置数据。
本发明的FPGA芯片配置方式如图2所示。通过将FPGA芯片控制电路设置为AS模式，FPGA芯片上电后，将自动获取保存在FPGA配置芯片中的系统配置数据，把它装载到SRAM中。而在此后的任意时刻，如果FPGA控制电路检测到有来自USB通信模块的用户配置数据，由于JTAG配置方式的优先级高于AS配置方式，FPGA芯片控制电路将会自动接收此用户配置数据，并把它写入SRAM，重新完成对FPGA芯片内部资源的配置。
由此，与基于FPGA实现虚拟仪器功能的同类产品相比，本发明的一个创新点是，通过允许接收来自PC机的用户配置数据，将FPGA芯片中的资源开放给了用户。用户可以利用这些资源和FPGA硬件电路板上的外设模块，开发和实现自己的功能，即把FPGA硬件电路板用作通用的FPGA开发板。
在上述配置方式下，FPGA芯片可以方便地实现系统模式和用户模式之间的切换。FPGA芯片上电后自动工作于系统模式，即实现信号发生器和示波器的功能。当用户通过USB接口下载用户配置数据后，FPGA芯片自动切换到用户模式。如要回到系统模式，只需关断FPGA硬件电路板的电源，并重新打开。
为了将系统配置数据写入FPGA配置芯片中，同类产品通常是在生产时通过图2中的配置芯片编程接口写入。本发明中，系统配置数据和用户配置数据都通过USB接口从PC机下载。系统配置数据采用JTAG间接配置(JIC)文件格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到JIC格式的系统配置数据后，将自动把它们写入到FPGA配置芯片中。用户配置数据通过SRAM目标文件(SOF)格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到SOF格式的用户配置数据后，将直接写入SRAM中。
FPGA硬件电路板上的USB通信模块实现FPGA硬件电路板和PC机之间的数据交换。USB通信模块提供了两个USB接口，其中一个接口用于从PC机下载FPGA配置数据，系统配置数据和用户配置数据都通过此接口下载。另外一个接口用于在PC机基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序和FPGA硬件电路板之间传输数据，这些数据包括信号发生器和示波器的设置参数、图1中待测信号的采样数据等。本发明中USB通信模块采用FTDI公司的芯片FT245R。
信号转换模块由ADC芯片、可变增益放大器(PGA芯片：Programmable GainAmplifier)、数模转换器(DAC芯片：Digital to Analog Converter)及其外围电路构成。一方面，它通过PGA和ADC芯片对待测信号进行采集，并转换为数字信号，存储到FPGA芯片内部的数据缓存器中。之后，FPGA芯片通过USB接口将采集的数据上传给PC机中的虚拟仪器应用程序。另一方面，它通过DAC芯片将FPGA芯片生成的波形数据转换为模拟信号，作为信号发生器的输出。
本发明中的ADC芯片采用TI公司的ADS5231，它具有两个差分输入通道，电压输入范围为-1V～+1V。它具有两个12-bit并行输出，最高采样频率为40MHz。PGA芯片采用TI公司的THS7002，它具有双通道输入，输入电阻为1MΩ、输入电容为1.5pF。它可以通过3位数字输入对增益进行编程，增益范围从0.08倍到10倍，共分为8档。DAC芯片采用TI公司的DAC7811，它是17-bit串行输入、单极性、电流输出型的DAC，最高工作频率为50MHz。
电源管理模块通过外置的电源适配器将220V交流电压转换为15V直流电压，作为硬件电路板的总体电源供给。它除了为FPGA硬件电路板上的所有芯片和电路提供直流电源供电以外，还为外部实验电路提供+5V和±12V的直流电源供电。
电源管理模块由多个电压转换电路组成。本实施例的各电压转换电路如下：
电压转换电路采用TI公司型号为TPS54231的开关稳压器芯片，从15V输入电压降压得到5V直流电压，为外部实验电路供电。
采用TI公司型号为TPS54231的开关稳压器芯片，从15V输入电压降压得到3.3V直流电压，为FPGA芯片供电。
采用TI公司型号为TPS54231的开关稳压器芯片，从15V输入电压降压得到1.2V直流电压，作为FPGA内核电压。
采用TI公司型号为TPS79525的线性稳压器芯片，从3.3V输入电压降压得到2.5V直流电压，作为FPGA芯片配置电压。
ADC模拟部分需要3.3V纹波较小的电压，采用LC滤波电路将3.3V输入电压的噪声有效滤除后得到。
采用线性稳压器芯片MC78M12，从15V输入电压降压得到+12V直流电压。
-12V的电压转换电路的工作原理：首先15V输入电压通过一个隔离电压转换电路产生隔离的15V，再通过线性稳压器芯片MC78M12产生+12V。因为此路电源与以上电源隔离，不共地，所以进一步将产生的隔离+12V接至硬件电路板的地，则隔离电源的地就是-12V。
外设模块包括拨码开关、按钮开关、发光二极管、七段数码管等输入输出设备，它们通过FPGA芯片的可编程输入输出单元连接至FPGA芯片内部的资源。
存储在PC机中的基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序用于在PC机的显示屏上实现和真实的信号发生器及示波器类似的控制面板。通过这些控制面板，虚拟仪器应用程序可以接受用户输入，生成信号发生器和示波器的设置参数，并通过USB接口传输给FPGA硬件电路板。同时，该虚拟应用程序可以从USB接口接收示波器采样数据，并进行处理，然后在PC机上显示出待测信号的波形。虚拟仪器应用程序基于业界主流的虚拟仪器开发平台、NI的LabVIEW程序编程语言，预先开发并存储在PC机上。
FPGA配置数据开发程序为Altera公司的Quartus II。它支持用原理图和硬件描述语言的方式来设计和开发FPGA配置数据，然后通过USB接口下载。本发明中的FPGA配置数据包括系统配置数据和用户配置数据。
存储在FPGA硬件电路板FPGA配置芯片中的系统配置数据是本发明的核心。它通过PC机上的FPGA配置数据开发程序进行设计和开发，然后再通过USB接口下载到FPGA硬件电路板中的FPGA配置芯片中。FPGA配置方式如图2所示。系统配置数据采用JTAG间接配置(JIC)文件格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到JIC格式的系统配置数据后，将自动把它们写入到FPGA配置芯片中。通过将FPGA芯片控制电路设置为AS模式，FPGA芯片上电后，将自动获取保存在FPGA配置芯片中的系统配置数据，把它装载到SRAM中，使FPGA芯片工作于系统模式，实现示波器和信号发生器的功能。
在该系统配置数据下，FPGA芯片可以对硬件电路板上的信号转换模块和USB通信模块进行管理，通过USB接口与PC机进行通信，获得信号发生器和示波器的设置参数，进而控制DAC、PGA和ADC芯片完成相应的波形产生和信号采集功能，并向PC机传输ADC芯片采集到的数据。
系统配置数据给出利用FPGA芯片内部的可编程逻辑模块资源实现虚拟仪器应用的各功能模块，如图3所示。它主要包含主控制器模块、示波器模块和信号发生器模块这三个组成部分。
其中主控制器模块作为系统配置数据中的核心控制部分，负责与USB通信模块进行数据交换，并控制示波器模块进行信号采集，控制信号发生器模块完成波形产生功能。
示波器模块的主要功能是接收来自主控制器模块的参数，控制ADC芯片和PGA芯片的工作，对PGA芯片参数进行自动配置，实现对大小输入信号(由于待测信号有时候是幅度为几mV的小信号，有时候是幅度为几V的大信号)的自适应测试，同时将采样数据通过主控制器模块从USB接口传输到PC机，在PC机上的虚拟仪器控制面板中进行显示。
本发明中示波器模块通过主控制器模块和PC机上的虚拟仪器应用程序配合，实现对待测信号的测试，具体实现方案如图4所示。
在图4中，虚线框内为示波器模块。它由示波器主模块、分频器模块和数据缓存器这三个部分组成。示波器主模块接收来自主控制器模块的参数，并对PGA和分频器模块进行配置。分频器模块根据来自示波器主模块的分频系数，将来自ADC芯片的采样数据按一定的时间间隔写入数据缓存器中。数据缓存器实现对采样数据的缓存，它的大小是固定的。由于USB接口的传输速率限制，ADC芯片的采样数据并非实时地通过USB接口传输到PC机。本发明中每个示波器输入通道各采用一个缓存器来缓存采样数据，大小为1024×13bits。缓存器存满了以后，这些采样数据再通过主控制器模块批量传输到PC机。虚拟仪器应用程序对这些采样数据进行处理后，在控制面板上进行显示。
在图4中，待测信号首先通过硬件电路板上的PGA进行放大，之后ADC芯片对PGA的输出进行采样，并将此模拟电压转换为数字信号。和普通的放大器不一样，PGA的放大倍数可以通过3位数字输入编程设定。在使用示波器功能时，用户可以通过PC机上的虚拟仪器控制面板选择波形幅度显示分辨率，即屏幕上垂直方向每一格所表示的电压值。根据该输入信息和ADC芯片的电压输入范围(本发明实施例中为-1V～+1V)，虚拟仪器应用程序中的PGA配置参数计算模块计算出PGA配置参数，并通过USB接口传递给系统配置数据中的主控制器模块，主控制器模块再通过示波器模块对PGA芯片进行配置。用户选择的波形幅度显示分辨率越大，即屏幕上垂直方向每一格所对应的电压值越大，PGA的编程放大倍数越小。
在观测大幅度信号时，用户选择大的波形幅度显示分辨率，PGA被设定为工作在较小的放大倍数，保证其输出电压在ADC芯片所允许的输入电压范围内；若此时用户选择较小的波形幅度显示分辨率，使得PGA的放大倍数过大，PGA内部电路将把其输出电压限制在ADC芯片的最大允许输入电压范围内，起到保护ADC芯片的作用。在观测小幅度信号时，用户选择小的波形幅度显示分辨率，PGA被设定为工作在较大的放大倍数，使小信号得到足够的放大，可以在PC机上清晰地显示。由此，就实现了大小幅度输入信号的自适应测试。
通过PC机上的虚拟仪器应用程序控制面板进行待测信号波形显示时，用户可以对波形的显示时间进行调整。由于数据缓存器的大小是固定的，为了正确地显示波形，ADC芯片的采样率需要随波形显示时间的长短而变化。比如当需要在PC机上显示较长时间的波形时，就必须降低采样速率，来满足数据缓存区的存储空间限制。在图4中，ADC芯片按固定的采样速率对PGA的输出信号进行采样，而通过在ADC芯片后面增加一个分频器模块，通过调整分频器的分频系数，实现对ADC芯片实际采样率的自动调整；分频器模块在获得来自ADC芯片的采样数据后，根据来自示波器主模块的分频系数，按一定的间隔(即跳过一些采样数据)对这些采样数据进行存储，而并非将所有采样数据都存储到数据缓存器中，这样就达到了改变ADC实际采样速率的目的。
当用户在PC机上显示待测信号的波形时，首先通过控制面板设置波形时间显示分辨率，即屏幕上水平方向每一格所代表的时间长度。该时间分辨率决定了屏幕上水平方向的总时间长度，即波形显示时间。根据这个波形显示时间和数据缓存器的大小，虚拟仪器应用程序计算出ADC实际采样率参数，并通过USB通信模块传递给系统配置数据中的主控制器模块，主控制器模块再通过信号发生器模块对分频器模块进行配置。用户选择的波形时间显示分辨率越大，即屏幕上水平方向每一格所对应的时间越长，分频系数越大。
在观测低频信号时，用户选择大的波形时间显示分辨率，分频器被设定为工作在较大的分频系数，保证数据存储的速率，即ADC芯片实际的采样率较低，使数据缓存器足以保存整个波形显示时间内的所有采样数据。在观测高频信号时，用户选择小的波形时间显示分辨率，分频器被设定为工作在较小的分频系数，使数据存储速率足够大，可以在PC机上清晰地显示高频信号。
信号发生器模块的主要功能是接收来自主控制模块的波形频率、幅度、偏置电平等信息，然后生成与该波形相对应的数据，并将这些波形数据通过串行的方式输入给DAC芯片，再通过DAC芯片及其外围电路输出波形。
在信号发生器功能的实现中，为了产生正弦波、三角波、矩形波等常用波形的数据，采用了DDFS算法。它的基本思想是将不同波形的数据离散化，将这些数据事先存储在FPGA芯片内部不同的ROM(Read Only Memory)中。根据用户在PC机虚拟仪器应用程序输入的波形类型、波形频率、幅值和偏置电平等信息，分别从相应的ROM读取波形数据，经DAC芯片进行数模转换后输出所需的波形。
利用DDFS产生高频矩形波时，得到的波形信号不稳定，存在相位抖动。为此，本发明采用动态配置FPGA芯片内部PLL的方法来生成高频矩形波，实现方案如图5所示。
在图5中，PLL配置参数计算模块根据用户通过虚拟仪器控制面板输入的矩形波频率信息计算得到PLL模块所需的分频系数。PLL配置模块则按照FPGA芯片对PLL进行配置的时序要求，将前面得到的分频系数写入PLL模块，完成对PLL模块的配置。经过对PL L模块进行动态配置，就可以从PLL模块的时钟输出端得到高频的矩形波。
FPGA芯片工作在系统配置数据的过程中，如果用户通过USB接口下载利用PC机上的Quartus II软件开发的FPGA用户配置数据，FPGA芯片将切换到用户模式。这样，用户可以通过FPGA芯片和硬件电路板上的外设模块对自己开发的应用进行试验，此时硬件电路板实现通用FPGA开发板的功能。
此外，本发明还将FPGA芯片未被使用的输入输出端口，用扩展插槽引出。利用该扩展插槽，可以对FPGA开发板的外设模块进行扩展，不仅可以增加键盘、LCD显示器等外设模块，还可以连接温湿度等传感器、电机等执行机构，丰富FPGA训练内容。同时，利用该扩展插槽，还可以对实验平台的功能进行扩展，在原有示波器、信号发生器的基础上增加逻辑分析仪、频谱仪等虚拟仪器功能。
最终所实现的FPGA硬件电路板PCB布局如图6所示。
在图6中，PCB左上角为扩展插槽，将FPGA芯片闲置的输入输出端口引出。USB接口1用于FPGA硬件电路板和PC机上基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序之间的数据通信。USB接口2用于FPGA配置数据的下载。电源接口用于接入外置的15V电源适配器。电源开关用于接通或切断电源适配器输入。按键开关共4个。按键开关右侧为6联排数码管。数码管下方为FPGA芯片。右侧为USB芯片和CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片，其中CPLD芯片用于实现FPGA配置数据的下载。CPLD下方为ADC和DAC芯片，其右侧为电源管理芯片。FPGA芯片下方为8只发光二极管和8个拨码开关。PCB右下角为示波器通道1和通道2输入接口及信号发生器输出接口。右下角的电源输出插座提供+5V和±12V的直流电源输出。
利用该硬件电路板和安装了基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序及FPGA配置数据开发程序的PC机，用户即可开展数字电路、模拟电路及FPGA实验，使用模式如图7所示。
首先，用户在面包板上搭建数字电路或模拟电路。利用硬件电路板上的电源输出插座，为数字电路和模拟电路中的元器件提供+5V和±12V的直流电源供电。硬件电路板上电后自动工作在系统模式。
当需要给数字电路或模拟电路输入特定的信号时，通过PC机上的虚拟仪器应用程序控制面板，设置信号的波形类型、频率和幅度等参数，这些参数通过USB接口1传递给FPGA芯片，按系统配置数据配置的FPGA芯片便可以控制其中的信号发生器模块工作，从图7的信号发生器接口输出信号。用户可将此信号接入面包板。
当需要对面包板上电路中各点的信号进行测试时，将测试点连接至硬件电路板的示波器通道1和2输入接口，利用PC机上的虚拟仪器应用程序控制面板，设置波形观测参数，就可以在PC机上显示测试点的波形。
当需要将硬件电路板用作FPGA开发板时，首先利用PC机上的FPGA配置数据开发程序设计和开发FPGA用户配置数据，然后通过USB接口2将此用户配置数据下载到FPGA芯片内部的SRAM中。之后，FPGA芯片将自动切换到用户模式，用户可以通过硬件电路板上的按键开关、拨码开关、数码管等外设模块来验证FPGA用户配置数据的工作情况。若此时需要利用硬件电路板测试面包板电路中的信号，关闭硬件电路板上的电源开关，然后再打开，FPGA就将继续回到系统模式，用于信号的产生和测量。

Claims (8)

1.一种基于现场可编程门阵列的便携式综合电子实验平台，包括FPGA硬件电路板，其特征在于还包括PC机、存储在PC机中的基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序及FPGA配置数据开发程序和存储在FPGA硬件电路板配置芯片中的系统配置数据；所述FPGA硬件电路板包括FPGA芯片及其控制电路、FPGA配置芯片、USB通信模块、信号转换模块、电源管理模块和外设模块。
2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述FPGA芯片内部集成了可编程输入输出单元、静态随机存储器、可编程寄存器、可编程逻辑模块、可编程连接线和锁相环；其中，通过对锁相环进行动态配置，产生高频矩形波信号；可编程输入输出单元用于实现硬件电路板上的USB通信模块和外设模块与FPGA芯片的连接；SRAM用于保存配置数据，可编程逻辑模块和可编程连接线根据配置数据的不同，工作在不同的状态，从而实现不同的功能。
3.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述FPGA芯片控制电路实现对FPGA芯片配置方式的控制，支持AS和JTAG配置模式；在AS模式下，FPGA芯片上电后，自动将FPGA配置芯片中的配置数据装载到FPGA芯片的SRAM中，对FPGA芯片内部的硬件资源进行配置；在JTAG模式下，FPGA芯片上电后，将接收来自PC机的用户配置数据，并把它写入SRAM中，从而对FPGA芯片内部的资源进行配置；通过将FPGA芯片控制电路设置为AS模式，FPGA芯片上电后，将自动获取保存在FPGA配置芯片中的系统配置数据，把它装载到SRAM中；而在此后的任意时刻，如果FPGA控制电路检测到有来自USB通信模块的用户配置数据，由于JTAG配置方式的优先级高于AS配置方式，FPGA芯片控制电路将会自动接收此用户配置数据，并把它写入SRAM，重新完成对FPGA芯片内部资源的配置；通过允许接收来自PC机的用户配置数据，将FPGA芯片中的资源开放给用户；用户利用这些资源和FPGA硬件电路板上的外设模块，开发和实现自己的功能，即把FPGA硬件电路板用作通用的FPGA开发板。
4.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述的FPGA配置芯片用于存储实现示波器和信号发生器功能的系统配置数据；系统配置数据和用户配置数据均通过USB接口从PC机下载；系统配置数据采用JTAG间接配置(JIC)文件格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到JIC格式的系统配置数据后，将自动把它们写入到FPGA配置芯片中；用户配置数据通过SRAM目标文件(SOF)格式下载，FPGA芯片控制电路在接收到SOF格式的用户配置数据后，将直接写入SRAM中。
5.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述FPGA硬件电路板上的USB通信模块实现FPGA硬件电路板和PC机之间的数据交换，USB通信模块提供两个USB接口，其中一个接口用于从PC机下载FPGA配置数据，系统配置数据和用户配置数据都通过该接口下载；另外一个接口用于在PC机基于LabVIEW的虚拟仪器应用程序和FPGA硬件电路板之间传输数据，这些数据包括信号发生器和示波器的设置参数、待测信号的采样数据。
6.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述的存储在FPGA硬件电路板FPGA配置芯片中的系统配置数据给出利用FPGA芯片内部的可编程逻辑模块资源实现虚拟仪器应用的各功能模块，该功能模块主要包括主控制器模块、示波器模块和信号发生器模块这三个组成部分；其中主控制器模块负责与USB通信模块进行数据交换，并控制示波器模块进行信号采集，控制信号发生器模块完成波形产生功能；示波器模块是用于接收来自主控制器模块的参数，控制ADC芯片和PGA芯片的工作，通过对PGA芯片参数的自动配置，实现对大小输入信号的自适应测试，同时将采样数据通过主控制器模块从USB接口传输到PC机，在PC机上的虚拟仪器控制面板中进行显示；所述信号发生器模块是用于接收来自主控制模块的波形频率、幅度、偏置电平信息，然后生成与该波形相对应的数据，并将这些波形数据通过串行的方式输入给DAC芯片，再通过DAC芯片及其外围电路输出波形。
7.如权利要求6所述的平台，其特征在于，所述的示波器模块由示波器主模块、分频器模块和数据缓存器这三个部分组成；示波器主模块接收来自主控制器模块的参数，并对PGA和分频器模块进行配置；分频器模块根据来自示波器主模块的分频系数，将来自ADC芯片的采样数据按一定的时间间隔写入数据缓存器中；通过调整分频器的分频系数，实现对ADC芯片实际采样率的自动调整；数据缓存器实现对采样数据的缓存。
8.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述的FPGA芯片还包括扩展插槽，用于将FPGA芯片未被使用的输入输出端口用扩展插槽引出；利用该扩展插槽，对FPGA开发板的外设模块进行扩展。
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