步驟1：模擬前端

Xilinx Zynq IC具有“ XADC”模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 XADC最多以1MSPS（每秒兆采樣）采樣，輸出12位值。該ADC的輸入范圍為0-1V。

XADC能夠?qū)讉€(gè)輸入通道進(jìn)行采樣，但是在Zynq板上，用戶實(shí)際上只能訪問(wèn)幾個(gè)特定的輔助輸入。在示波器中，我使用了Zybo XADC PMOD上可用的AUX14 ADC輸入。

由于0-1V的示波器輸入范圍不是很有用，因此必須在ADC輸入的前面添加模擬電路，以便縮放和移動(dòng)輸入電壓，請(qǐng)參見此步驟的框圖。

此框圖是使用LTSPICE原理圖/仿真中顯示的電路實(shí)現(xiàn)的（為仿真附上原理圖文件）。根據(jù)需要，增益為1/20 = 0.05，直到抗混疊濾波器導(dǎo)致其下降約400kHz（1MSPS ADC的奈奎斯特頻率= 500kHz）為止。

我在面包板上實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)（沒(méi)有時(shí)間使用通孔組件設(shè)計(jì)PCB）。第二個(gè)LTSPICE原理圖中顯示了用于實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的組件（不可仿真，僅用于設(shè)計(jì)用于訂購(gòu)零件的電路），以及實(shí)際構(gòu)建的電路。 3.3V和GND來(lái)自XADC PMOD連接器。

步驟2：ADC緩沖器/觸發(fā)器

設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)采樣輸入信號(hào)，在發(fā)生波形事件時(shí)觸發(fā)并在完成時(shí)使數(shù)據(jù)可用于PS。

-processing_system7_0：Zynq PS

-rst_processing_system7_0_100M：零件AXI通信（添加到連接自動(dòng)化中）

-processing_system7_0_ai_periph：AXI通信（添加到連接自動(dòng)化中）

-xadc_wiz_0：XADC實(shí)現(xiàn)。在DRP，單通道模式下配置，具有最大轉(zhuǎn)換率（實(shí)際為961KSPS）。 VAUX14被配置為雙極性模式。

-gpio_trigger_settings：GPIO IP用于設(shè)置子采樣和觸發(fā)閾值。二次采樣是指選擇從ADC接受輸入值的頻率。如果將示波器的時(shí)基縮小很長(zhǎng)一段時(shí)間，則緩沖區(qū)將太小而無(wú)法填滿（例如）以1MSPS采集的1秒數(shù)據(jù)。觸發(fā)閾值是指觸發(fā)發(fā)生時(shí)的電壓電平。

-gpio_trigger_control：GPIO IP。通道1輸出，能夠復(fù)位觸發(fā)塊（當(dāng)PS準(zhǔn)備好用于新的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)）并聲明要讀取的存儲(chǔ)器的地址值。通道2是輸入，允許讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸出數(shù)據(jù)，最后寫入的地址以及觸發(fā)緩沖區(qū)是否已滿。

-drp_int_0：我的IP，用于解釋XADC的DRP輸出。

-trigger_0：我的IP，用于實(shí)現(xiàn)觸發(fā)行為

-blk_mem_gen_0：用于保存過(guò)去的采樣值的IP。

此部分所有IP的SystemVerilog文件都包括在內(nèi)。

步驟3：用戶輸入處理

設(shè)計(jì)的這一部分負(fù)責(zé)對(duì)編碼器和按鈕輸入進(jìn)行采樣。 “標(biāo)準(zhǔn)速度” PMOD用于將這些信號(hào)引入Zynq。只需使用GPIO模塊即可對(duì)按鈕輸入進(jìn)行采樣。編碼器輸入由編碼器IP塊（由我編寫）處理，以便獲得與旋轉(zhuǎn)編碼器多少有關(guān)的“計(jì)數(shù)”值。

由于使用了機(jī)械式旋轉(zhuǎn)編碼器，因此開關(guān)和編碼器輸出均需要上拉電阻（5k Ohm），并且還添加了一個(gè)去抖動(dòng)的LP濾波器。這可能是我設(shè)計(jì)中最薄弱的部分，并且肯定需要做更多的工作。盡管對(duì)硬件模塊進(jìn)行了仿真，但顯示出正常的功能（圖像已附上），但我仍然無(wú)法從編碼器獲取準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)值。在最后的演示之前，我沒(méi)有時(shí)間來(lái)診斷這個(gè)問(wèn)題，因此我建議您花一些時(shí)間比我更多的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)問(wèn)題！

-encoder_btn_gpio：輸入了通道1，正在計(jì)數(shù)來(lái)自三個(gè)編碼器和兩個(gè)按鈕的值

-encoder0，1，2：我的IP，用于解釋旋轉(zhuǎn)編碼器的正交輸入。編碼器的步長(zhǎng)被記錄為可以為負(fù)或正的“計(jì)數(shù)”值。存在RST輸入以重置計(jì)數(shù)值，允許PS讀取計(jì)數(shù)值，然后將其重置。這樣，計(jì)數(shù)值將永遠(yuǎn)不會(huì)溢出并導(dǎo)致奇怪的結(jié)果。

步驟4：視頻驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)計(jì)的這一部分負(fù)責(zé)繪制GUI和輸入波形。示波器波形，觸發(fā)電平線和其他變化的指示器存儲(chǔ)在幀緩沖器中，每個(gè)存儲(chǔ)器地址保存一個(gè)像素值。該幀緩沖區(qū)是一個(gè)塊內(nèi)存，VGA驅(qū)動(dòng)程序從中讀取值，然后將其發(fā)送到VGA端口以在屏幕上顯示。

最初，屏幕的大小希望為640 x480。但是，存儲(chǔ)一個(gè)塊RAM中的所有這些像素值都是不可能的，因?yàn)閴Kram的最大深度是262144（對(duì)應(yīng)于18位的地址，2 ^ 18 = 262144），并且640 x 480 = 307200像素。做出了妥協(xié)，將屏幕縮小到480 x 512，以便將整個(gè)屏幕緩沖區(qū)存儲(chǔ)在一個(gè)塊ram中。

為了簡(jiǎn)化以后的編碼，在計(jì)算機(jī)上的圖像編輯器中繪制了背景圖像（網(wǎng)格和屏幕輪廓）。編寫（包括）了一個(gè)matlab腳本，將黑白BMP轉(zhuǎn)換為.coe文件，該文件可以預(yù)加載到塊ram單元中。這意味著圖像已經(jīng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，不需要用代碼或硬件“繪制”。這是與屏幕緩沖區(qū)分開的獨(dú)立塊內(nèi)存，因此兩個(gè)塊RAM的輸出將運(yùn)行到自定義IP塊（顏色處理器）中，以便“決定”應(yīng)顯示哪種顏色，示波器信號(hào)和指示器具有更高的層優(yōu)先級(jí)在網(wǎng)格上。

-axi_gpio_0：輸出通道1。控制地址，數(shù)據(jù)和啟用信號(hào)以寫入屏幕緩沖區(qū)。輸入通道2。讀取確認(rèn)位以確認(rèn)寫入操作已完成。

-bram_write_controller：從GPIO模塊獲取地址，數(shù)據(jù)和啟用信號(hào)，以寫入塊ram。地址和數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)需更改即可簡(jiǎn)單路由。 EN信號(hào)帶來(lái)了復(fù)雜性。我不確定從GPIO寫入“ 1”和“ 0”將花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間（就時(shí)鐘周期而言），因此我想確保塊wram僅被寫入一次。該寫控制器在GPIO的EN信號(hào)的上升沿運(yùn)行，以便為塊ram的寫使能產(chǎn)生一個(gè)1時(shí)鐘寬度的使能脈沖。完成該脈沖后，可以將確認(rèn)信號(hào)置為高電平，以確認(rèn)它已被寫入。

-signals_buffer1：這是一個(gè)3位寬的塊ram，用于在屏幕上存儲(chǔ)變化的像素值，例如波形，觸發(fā)電平線和電壓/分壓指示器。每個(gè)存儲(chǔ)器地址代表一個(gè)像素。地址系統(tǒng)的工作方式是，高9位是像素的行，低9位是像素的列。

-gui_buffer：這是一個(gè)1位寬的塊ram，用于存儲(chǔ)通過(guò)圖像生成的.coe文件加載的不變的GUI（網(wǎng)格，輪廓等）。 （附加了MATLAB腳本）

-vga_driver_0：為VGA協(xié)議生成水平和垂直同步信號(hào)。生成代表當(dāng)前顯示像素的列和行值。這些用于從塊RAM中讀出以讀取當(dāng)前像素的存儲(chǔ)值

-color_processor_0：此IP根據(jù)存儲(chǔ)的像素值決定顯示哪種顏色。我將優(yōu)先級(jí)從最高設(shè)置為最低（紅色觸發(fā)電平線，黃色信號(hào)線，白色GUI/網(wǎng)格）。每個(gè)像素的值存儲(chǔ)為3位值，每個(gè)位代表一個(gè)“層”。優(yōu)先級(jí)較高的信號(hào)（如觸發(fā)線）應(yīng)出現(xiàn)在“頂層”，而優(yōu)先級(jí)較低的信號(hào)（如背景網(wǎng)格）應(yīng)出現(xiàn)在“底層”。

步驟5 ：處理系統(tǒng)

將前面介紹的設(shè)計(jì)組合在一起，以提供最終設(shè)計(jì)，并由一個(gè)PS來(lái)控制它們。所有模塊的接口均通過(guò)GPIO IP。結(jié)合使用時(shí)，請(qǐng)參見圖像以查看所有先前的GPIO模塊的命名約定：

-gpio_trigger_control：控制觸發(fā)模塊，讀取緩沖區(qū)值

-gpio_trigger_settings：設(shè)置閾值和子采樣

-screen_buffer_gpio：將值寫入屏幕緩沖區(qū)

-encoder_btn_gpio：讀取編碼器計(jì)數(shù)和按鈕值。

寫入（包括）用于寫入像素的庫(kù)，讀取編碼器/按鈕輸入，并讀取樣本緩沖區(qū)值。由于時(shí)間有限，主代碼有些大，沒(méi)有足夠的時(shí)間使它們具有模塊化功能。

在最初的開發(fā)中，FreeRTOS將用于PS中。由于時(shí)間限制，這被放棄并且沒(méi)有使用任何任務(wù)。但是，我一直在進(jìn)行的CORTEX_A9_Zynq_ZC702 FreeRTOS演示項(xiàng)目仍在使用，其名義是在最后一刻盡可能少地更改。

我的示波器的最終版本僅具有垂直刻度調(diào)整和觸發(fā)電平調(diào)整，因此未使用時(shí)分顯示。

主程序的基本流程是：

1）檢查編碼器和按鈕輸入，適當(dāng)調(diào)整觸發(fā)值

2）檢查范圍是否已觸發(fā)（重復(fù)1＆2，直到觸發(fā)）

3）擦除并更新顯示V/Second劃分的標(biāo)記。

4）讀取觸發(fā)緩沖區(qū)的所有值。

5）計(jì)算觸發(fā)電平線在像素位置的位置

6）計(jì)算當(dāng)前和下一個(gè)樣本的位置以像素為單位

7）刪除當(dāng)前列中的所有像素

8）繪制一條從當(dāng)前樣本位置的行到下一個(gè)樣本位置的行的垂直線。

9）繪制觸發(fā)電平線

10）繪制三角形以顯示0V電平

11 ）重置觸發(fā)器以再次開始采樣。

12）從1開始重復(fù)。

第6步：結(jié)論，注釋，未來(lái)改進(jìn)

回頭看看有一些變化我想做。大部分時(shí)間都受我時(shí)間緊迫的限制。

-編碼器：目前，編碼器的工作情況很差。我需要使用示波器進(jìn)行更多調(diào)試，以確保正交輸出“無(wú)反彈”且干凈，以便在解釋它們時(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤。

-應(yīng)該添加垂直偏移和水平偏移/縮放。

責(zé)任編輯：wv