基于FPGA的十通道逻辑分析仪-74页精华项目教程.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.41M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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基于FPGA的十通道逻辑分析仪设计教程

设计初衷

基本功能介绍

基本组件设计

矩阵键盘驱动设计

矩阵键盘原理与驱动设计

矩阵键盘驱动使用示例

红外遥控解码驱动设计

红外遥控解码与驱动设计

红外解码驱动使用示例

PS2键盘驱动设计

PS2键盘驱动使用示例

VGA控制器设计

VGA标准介绍

VGA 扫描方式

VGA标准时序分析

芯航线FPGA学习套件VGA电路介绍

小结

VGA 控制器设计

第一步，设计行扫描计数器

第二步，设计场扫描计数器

第三步，产生行同步信号和场同步信号

第四步，输出数据

第五步，输出正确的行列扫描位置

完整VGA控制器设计

VGA控制器仿真验证

Testbench设计

仿真结果分析

VGA_HS信号：

VGA_VS信号：

VGA控制器板级验证

板级验证需求

板级验证电路设计

添加PLL时钟分频单元

完整的测试电路代码

板级验证

无源蜂鸣器驱动设计

蜂鸣器电路介绍

无源蜂鸣器控制器设计

基于FPGA的PWM电路设计

定时器/计数器电路设计

输出比较电路

PWM发生电路仿真验证

PWM发生电路testbench设计

仿真结果分析

PWM驱动蜂鸣器板级验证

采样时钟频率控制模块

采样速率与数据完整性

采样速率控制模块功能分析

采样时钟分频模块仿真验证

testbench设计

仿真结果验证

逻辑分析仪采样控制模块

采样触发介绍

什么是触发?

逻辑分析仪触发方式

触发电路设计

触发条件检测

采样存储控制

完整采样控制模块设计

采样控制模块仿真验证

testbench设计

仿真结果分析

波形显示控制

系统控制模块

逻辑分析仪的使用

板级验证

基于 FPGA 的十通道逻辑分析仪设计教程小梅哥编写，可适用于芯航线 FPGA 学习套件，作者保留一切所有权 2016 年 7 月 11 日星期一设计初衷基于 FPGA 的十通道逻辑分析仪为芯航线为用户编写的精品例程，旨在通过例程给大家展示一个原理正确、代码规范、架构科学、层次清晰的示例设计方案，本实例中的所有模块均由小梅哥亲自编写并仿真测试通过，大家可以直接提取并用于自己的设计中。基本功能介绍 10 路逻辑分析仪实例基于芯航线 FPGA 学习套件进行开发，实例使用到了芯航线 FPGA 学习套件的 FPGA 主板、4.3 寸 TFT 屏、矩阵键盘、红外遥控外设。设计使用 FPGA 采集 10 路数字波形数据，并存储在 FPGA 片上缓存 RAM 中，然后使用 4.3 寸 TFT 触摸液晶显示组件进行波形显示。整个逻辑分析仪系统可使用矩阵键盘或者红外遥控进行控制，以调整数据采样率、数据采样触发方式，并调整波形显示位置。在调整过程中，蜂鸣器在接收到控制信号后发出按键音乐，以给用户提供明确的按键反馈信号，提升人机交互的体验。同时，设计还支持外接基于 74HC595 驱动方案的 7 段 8 位数码管模块（接在 GPIO 0 上），用于显示当前系统的工作状态。系统整体如下图所示：

基本组件设计矩阵键盘驱动设计矩阵键盘原理与驱动设计本例中，矩阵键盘主要用于实现人机交互的控制信号输入部分，通过矩阵键盘输入控制信号，来实现控制数据采样率、数据采样触发方式，并调整波形显示位置等功能，矩阵键盘的具体设计思路和方案见《芯航线 FPGA 数字系统设计教程+实例解析》“芯航线 FPGA 数字逻辑设计精品教程”部分的“FPGA 矩阵键盘驱动设计与验证”小节，本实例直接使用该小节设计的矩阵键盘驱动模块，因此不再重复介绍。设计完成的矩阵键盘驱动模块如下图所示。模块每个信号的功能简介如下。端口类型 Input Input Input 端口名 Clk Rst_n 描述系统时钟 50MHz 系统复位，低有效 Key_Board_Row_i 矩阵键盘行控制线，按键未按下为高电平 Output Key_Board_Col_o 矩阵键盘列控制线，驱动列信号为低，实现 Output Output Key_Value Key_Flag 按键状态扫描，输出键盘键值按键检查成功标志信号，每当按键检测成功，产生一个时钟周期的高脉冲矩阵键盘驱动使用示例在使用本模块时，只需要将 Clk 连接到系统时钟输入，Rst_n 连接到系统复位引脚/信号， Key_Board_Row_i 和 Key_Board_Col_o 分别与矩阵键盘的行列引脚相连即可。然后每次当按下一次按键，待本模块进行抖动滤除并确认得到了按键按下信息后，会在 Key_Value 端口上输出当前检测到的按键值，并驱动 Key_Flag 信号产生一个时钟周期的高脉冲，其他模块在使用矩阵键盘的扫描结果时，只需要在 Key_Flag 信号有效时（高脉冲期间）读取 Key_Value 的值，并根据 Key_Value 的值进行相应的操作即可，例如，使用矩阵键盘的 1、3、5、7 键简单控制 4 个 LED 灯状态翻转的代码即可如下编写： always@(posedge Clk or negedge Rst_n) Key4x4_BoardClkRst_nKey_Board_Row_i[3:0]Key_Board_Col_o[3:0]Key_Value[3:0]Key_Flag

if(!Rst_n) //复位时使 4 位 LED 全灭 LED <= 4'b1111; else if(Key_Flag)begin //Key_Flag 高脉冲时有效 case(Key_Value) 4'd1:LED[0] <= ~LED[0];//按键 1，翻转 LED0 4'd3:LED[1] <= ~LED[1];//按键 3，翻转 LED1 4'd5:LED[2] <= ~LED[2];//按键 5，翻转 LED2 4'd7:LED[3] <= ~LED[3];//按键 7，翻转 LED3 default:LED <= LED; //其他按键，忽略，不对 LED 进行任何操作 endcase end 红外遥控解码驱动设计红外遥控解码与驱动设计本例中，红外遥控作为另一个输入设备，实现与矩阵键盘相同的功能，即用于实现人机交互的控制信号输入部分。通过红外遥控发射按键信号，并由 FPGA 解码红外接收器接收到的红外按键信号，得到按键信息，然后根据按键信息来实现控制数据采样率、数据采样触发方式，并调整波形显示位置等功能，红外遥控解码的具体设计思路和方案见《小梅哥 FPGA 设计思想与验证方法视频教程》“19_HT6221 红外遥控解码”一集视频教程，以及配套文档教程，见《芯航线 FPGA 数字系统设计教程+实例解析》“FPGA 设计思想与验证方法视频教程实验精讲手册”部分的“十九、 HT6221 红外遥控解码”小节，本实例直接使用该小节设计的红外遥控解码模块，因此不再重复介绍。设计完成的矩阵键盘驱动模块如下图所示。模块每个信号的功能简介如下。端口类型 Input Input Input Output Output Output 端口名 Clk50M Rst_n iIR Get_Flag irData irAddr 描述系统时钟 50MHz 系统复位，低有效红外遥控接收器信号脚红外解码成功标志信号，每当解码成功，该信号产生一个时钟周期的高脉冲红外解码得到的数据段,识别不同按键红外解码得到的地址段，区分不同遥控器发出的数据。 ir_decodeClk50MRst_nirAddr[15:0]irData[15:0]Get_FlagiIR

其中，红外遥控解码得到的数据分为数据段和地址端，irData[15:0]为数据段信息，实际为 8 位有效数据，高 8 位为低八位的反码，例如，我们配套的红外遥控，按键 1 的键值为 0C，因此数据段的低八位则为 8’h0C，而高 8 位则为 8’h0C 的反码，即 8’hF3。同一个遥控，按下不同的按键，发出的信号传递的数据段是不一样的，因此我们对数据段进行解读，就能知道当前是哪个按键被按下，从而可以执行相应的响应。数据段的高 8 位和低 8 位进行比较，从而确定解码结果是否正确，如果高 8 位并非为低 8 位的反码，则表明当前解码结果有误。 irAddr[15:0]为地址段信息，不同厂家的遥控，通过设置不同的地址段，来进行区分，以避免在一个发射器的情况下发送指令被多个接收器同时接受。例如，使用海尔电视的专用的遥控器无法对海信电视进行控制，正是使用了不同的地址段来区分的。我们配套的遥控器，其地址段为 16’hFF00。红外解码驱动使用示例在使用本模块时，只需要将 Clk 连接到系统时钟输入，Rst_n 连接到系统复位引脚/信号， iIR 连接到红外接收器的数据输出脚即可。然后每次红外遥控按下一次按键，待本模块进行接收解码并确认得到了按键按下信息后，会在 irData 端口上输出当前检测到的数据段， irAddr 端口输出当前检测到的地址段，并驱动 Get_Flag 信号产生一个时钟周期的高脉冲，其他模块在使用红外解码模块的解码结果时，同矩阵键盘类似，只需要在 Get_Flag 信号有效时（高脉冲期间）读取 irData 和 irAddr 的值，并根据 irData 的值进行相应的操作即可，例如，使用地址码为 16’hFF00 的红外遥控的 1、3、5、7 键简单控制 4 个 LED 灯状态翻转的代码即可如下编写： always@(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) //复位时使 4 位 LED 全灭 LED <= 4'b1111; else if(Get_Flag && //高脉冲时有效 (irAddr == 16'hFF00) && //地址为 FF00 (irData[7:0] == ~irData[15:8]))//高 8 位取反和低 8 位相等 begin case(irData[7:0]) 8'h0c:LED[0] <= ~LED[0];//键值 0c 对应按键 1，翻转 LED0 8'h5e:LED[1] <= ~LED[1];//键值 5e 对应按键 3，翻转 LED1 8'h1c:LED[2] <= ~LED[2];//键值 1c 对应按键 5，翻转 LED2 8'h42:LED[3] <= ~LED[3];//键值 42 对应按键 7，翻转 LED3 default:LED <= LED; //其他按键，忽略，不对 LED 进行任何操作 endcase end

PS2 键盘驱动设计 PS2 键盘驱动设计本例中，PS2 键盘作为第三个可选输入设备，实现与矩阵键盘、红外遥控相同的功能，即用于实现人机交互的控制信号输入部分。使用时，如果开发板上外接了 PS2 键盘，那么按下 PS2 键盘上对应按键，则 FPGA 对 PS2 键盘产生的数据进行解码，从而得到按键信息，然后根据按键信息来实现控制数据采样率、数据采样触发方式，并调整波形显示位置等功能， PS2 键盘驱动的的具体设计思路和方案见《芯航线 FPGA 数字系统设计教程+实例解析》“芯航线 FPGA 数字逻辑设计精品教程”部分的“PS2 键盘解码驱动设计与验证”小节，本实例直接使用该小节设计的 PS2 键盘驱动模块，因此不再重复介绍。设计完成的 PS2 键盘驱动模块如下图所示。详细端口名及其意义如下端口名端口功能或意义端口说明 Rst_n Clk PS2_Din PS2_Clk 全局复位系统时钟输入端口，默认 50M PS2 接口数据线 PS2 接口时钟线 Key_Value 按键检测结果输出，总共 10 位，其中最高位为通/断码标志位，为 0 表示通码，为 1 表示断码（按键释放）；次高位为短码和长码（扩展码）标志位，为 0 表示短码，为 1 表示长码；低 8 位为数据位。 Key_Flag 按键检测成功标志信号，每当解码成功，该信号产生一个时钟周期的高脉冲 PS2_Key_Board_DriverClkRst_nkey_value[9:0]key_flagPS2_DinPS2_Clk

PS2 键盘驱动使用示例在使用本模块时，只需要将 Clk 连接到系统时钟输入，Rst_n 连接到系统复位引脚/信号， PS2_Din 和 PS2_Clk 分别连接到 PS2 接口的数据脚和时钟脚即可。然后每次按下或释放键盘上的按键，PS2 键盘发送一次按键信息，待本模块正确解析确认得到了按键信息后，会在 Key_Value 端口上输出当前检测到的按键信息（键值、通断码、长短码），并驱动 Key_Flag 信号产生一个时钟周期的高脉冲，其他模块在使用 PS2 解码模块的解码结果时，同矩阵键盘类似，只需要在 Key_Value 信号有效时（高脉冲期间）读取 Key_Value 的值，并根据 Key_Value 的值进行相应的操作即可。 Key_Value 总共 10 位，其中最高位为通/断码标志位，次高位为短码和长码（扩展码）标志位，低 8 位为数据位。 9 通断码长短码 8 7 6 5 4 3 数据码 2 1 0  通断码：为 0 表示通码，代表此次为按键按下事件，为 1 表示断码，表明此次为按键释放事件；  长短码：为 0 表示短码，为 1 表示长码；键盘上部分按键的键码为短码，部分为长码，具体的按键码值，可以参见 PS2 键码对照表（见 PS2 教程小节）。  数据码：为当前按键的码值。具体的按键码值，可以参见 PS2 键码对照表（见 PS2 教程小节）。因此，当我们使用 PS2 键盘的结果时，只需要根据 Key_Value 的最高位即可确定当前是按下按键还是释放按键。通过次高位的短码/长码标志位与低 8 位数据位共同作用，确定当前按下的按键键位是哪个，然后即可判断得到具体的按键信息，从而进行相应的操作。例如，每次按下 PS2 键盘上的 1、3、5、7 键，则对应控制 4 个 LED 灯状态翻转的代码即可如下编写： always@(posedge Clk or negedge Rst_n) if(!Rst_n) //复位时使 4 位 LED 全灭 LED <= 4'b1111; else if(Key_Flag && //高脉冲时有效 !Key_Value[9])//通断码，为 0 表示为通码，即按下.本例仅使用按下事件 begin case(Key_Value[8:0]) 9'h016:LED[0] <= ~LED[0];//键值 016 对应按键 1，翻转 LED0 9'h026:LED[1] <= ~LED[1];//键值 026 对应按键 3，翻转 LED1 9'h02E:LED[2] <= ~LED[2];//键值 02E 对应按键 5，翻转 LED2 9'h03D:LED[3] <= ~LED[3];//键值 03D 对应按键 7，翻转 LED3 default:LED <= LED; //其他按键，忽略，不对 LED 进行任何操作 endcase end

VGA 控制器设计 VGA 标准介绍计算机显示器有许多现实标准，常见的有 VGA、SVGA 等，在这里我们用 VGA 接口来控制显示器，VGA 是 Video Graphics Adapter（Array）的缩写，即视频图形阵列。作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。VGA 接口常使用 15 针的 DB15 接口，该接口引脚功能如下表所示：引脚名称注释引脚 RED 红基色 75R,0.7VPP GREEN 绿基色 75R,0.7VPP BLUE 蓝基色 75R,0.7VPP ID2 显示器标识位 2 GND RGND GGND BGND 红色地绿色地蓝色地地 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 KEY SGND ID0 ID1/SDA 注释保留同步信号地显示器标识位 0 显示器标识位 1 HSYNC/CSYNC 行同步或者复合同步 VSYNC ID3/SCL 场同步显示器标识位 3 VGA 扫描方式在 VGA 标准兴起的时候。常见的彩色显示器一般由 CRT（阴极射线管）构成，色彩是由 RGB（红、绿、蓝）三基色组成。显示是用逐行扫描的方式解决。阴极射线枪发出电子束打在涂有荧光粉的荧光屏上，产生 RGB 三基色，合成一个彩色像素，扫描从屏幕的左上方开始，从左到右，从上到下进行扫描，每扫完一行，电子束都回到屏幕的左边下一行的起始位置。在这期间，CRT 对电子束进行消隐。每行结束时，用行同步信号进行行同步；扫描完所有行，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕的左上方。同时进行场消隐，预备下一

场的扫描。随着显示技术的发展，出现了液晶显示器，液晶显示器的成像原理与 CRT 不同，液晶显示器是通过对液晶像素点单元施加电压与否，来控制液晶单元的透明程度，并添加三色滤光片、分别使 R、G、B 这 3 种光线透过滤光片，最后通过 3 个像素点合成一个彩色像素点，从而实现彩色显示。但是由于液晶显示技术后于 CRT 显示技术诞生，因此在液晶显示器诞生的时候，为了能够兼容传统的显示接口，因此液晶显示器通过内部电路实现了对 VGA 接口的完全兼容。因此，我们在使用显示器时，只要该显示器带有标准的 VGA 接口，我们就不用去关心其成像原理，直接使用标准的 VGA 时序即可驱动。对于普通的显示器（无论是液晶还是 CRT），共有 5 个信号：R、G、B 三基色信号，行同步信号 HS，场同步信号 VS。对于时序驱动，VGA 显示器要严格遵循“VGA 工业标准”，即 640*480*60Hz 模式，否则可能会损害 VGA 显示器。 VGA 标准时序分析通常我们所用的显示器都满足工业标准，因此我们设计 VGA 控制器时要参考显示器的技术规格，下图是 VGA 行扫描、场 4 扫描的时序图。行扫描时序要求（单位：输出一个像素的时间间隔，即像素时钟）： Ta（行同步头）：96 Tb：40 Tc：8 Td（行图像）：640 Te：8 Tf：8 Tg：800 场扫描时序要求（单位：输出一行 Line 的时间间隔）： Ta（场同步头）：2 Tb：25 行消隐行消隐图像下一行图像TaTbTcTdTgTeTfRGBHS场消隐场消隐图像下一行图像TaTbTcTdTgTeTfRGBVS

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