基于FPGA系统重构技术的便携式多功能电子调试仪设计

　　0 引言

　　随着电子信息类产品的普及， 常用的电子设备检测、 调试技术逐渐得到了广泛的应用。 电子产品的简单维修技能也越来越普及。 在企业公司、 家庭生活中经常需要对电子产品进行简单测试、 修理， 在各类大中专院校中， 电路设计、 测试类实验、 实践活动更是不可缺少。 但是目前市面上用于电子系统检测的一些专业的电子仪器如数字示波器、 信号发生器等， 普遍价格昂贵，且体积大不易携带。 对于个人、 家庭、 户外以及学生实践等使用场合来说， 上述专业仪器并不合适。 相对来说， 一种价格低廉、 功能简单、 体积轻便、 便于携带的袖珍式多功能电子调试仪表更为实用。 这种仪表应当同时具备各种常见的电子系统检测功能， 例如电参数测量、 波形显示、 信号发生等， 精度和功能要求则不需要太高。 基于上述需求， 本文以现场可编程门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Array)为核心 ， 设计了同时具有信号发生器功能和数字示波器功能的袖珍多功能电子调试仪。

　　1 系统功能分析

　　1.1 系统功能介绍

　　本系统以 FPGA 为核心， 基于 FPGA 系统重构技术， 将多种 FPGA 电路以不同配置文件的方式存入系统存储空间中。 系统上电时， 用户选择不同的配置文件即可使得同一片 FPGA 具有不同功能。 只要硬件存储器空间足够大， 本系统理论上可以同时具备任意的功能。 基于系统硬件成本以及实用性等方面考虑， 本系统的设计具备两种功能： 模拟信号发生器功能和数字示波器功能。 系统上电后， 可根据用户选择， 实现两种功能中的任意一种。 需要切换功能时， 只需要更改功能按键并复位系统即可。

　　1.2 FPGA 选型原则

　　自从上世纪70年代可编程逻辑器件PLD (Pro-grammable Logic Device)得以广泛应用以来，先后有多种复杂度不同的 PLD 器件问世。 其中现场可编程门阵列是目前规模最大 资源最多的一类，用于实现复杂的逻辑功能。 用户可通过多种设计方法， 将 FPGA 芯片定制为具有特定功能的专用集成电路芯片[1]。 随着基于 FP-GA 的片上可编程系统 (SOPC) 方案的提出 ， FPGA 在电子设计领域中的地位越来越重要。

　　考虑到系统功能的复杂度以及系统存储空间的大小，本系统选用 ACEX 1K 系列中的 EP1K30 芯片。芯片共有 144 个管脚，其中可用 IO 管脚89 个;芯片内含逻辑单元4608 个;M4k RAM 块26 个;嵌入式 18×18 位乘法器13 个、锁相控制环(PLL)2 个。

　　1.3 单片机选型原则

　　FPGA 的多个配置文件均存放在系统的程序存储空间中。 系统上电时， 由单片机将其下载到 FPGA 中。 本系统选择 ATmega128L 单片机。 该单片机具有 128K 程序存储空间， 是目前程序存储空间最大的单片机之一。在不扩充外部程序存储器时， 该单片机可以存放两个EP1K30 型 FPGA 的配置文件， 在满足系统功能需求的同时，节省了外部存储芯片的硬件成本，也缩小了电路板的体积。此外，ATmega128L 自带了8 路 AD 转换器，可以直接对模拟信号采样， 节省了AD 芯片。