面向智能仪器的SOPC嵌入式系统设计与实现

论文摘要

随着半导体技术、通讯技术以及大规模集成电路的飞速发展,智能仪器系统的设计思想和方法发生了革命性的变化。新型的智能仪器系统融合了计算机、通信和控制技术,具有智能化测控功能、友好的人机交互界面以及开放的外部设备接口。SOPC技术的出现,为智能仪器系统的设计提供了一个新的解决方案。采用嵌入式SOPC思想架构智能仪器系统可以解决传统设计方法中出现的集成度不高,功能性不佳、灵活性不强等问题。在充分发挥SOPC系统的软硬件协同设计以及在系统可编程的特点后,本课题设计开发了基于SOPC技术的智能仪器系统。该系统主要包含人机交互和高速数据采集两个部分,这两个部分也是所有智能仪器必须具备的核心功能。本文首先介绍了智能仪器的概念、发展、特点和结构以及SOPC系统的概念及其相关的开发环境。接着阐述了基于SOPC技术的智能仪器系统的总体设计方案。然后,论文围绕仪器系统中几个重要部分的软硬件平台的设计搭建全面展开。首先提出了一种针对LCD控制器IP核的设计方法,该方法以Altera公司的软核处理器NiosⅡ为核心,通过对Avalon主端口的使用成功实现了对帧缓存读操作的硬件加速,并且该IP核以参数化概念设计,面向通用的LCD屏幕,大大提高了控制器的可复用性,同时本课题利用SOPC Builder环境中提供的IP核组件在HAL(Hardware Abstract Layer,硬件抽象层)层开发了标准串行口和PS2口的接口驱动,为引入键盘、鼠标等标准外部输入设备提供便利。接下来,在LCD控制器实现的基础上,讨论面向智能仪器的GUI系统的特性需求,并在HAL层编写相应的GUI库函数,为进行友好的人机交互界面设计打下基础。最后,本课题研究了基于NiosⅡ的中断原理和DMA传输原理,并以此为依据设计了智能仪器的高速数据采集接口。通过特定硬件平台的搭建,本文还对两种模式下的数据传输效率进行了比较。本文还在Altera公司提供的DE1开发板上对系统中的重要模块进行了测试,测试结果证明该系统中的LCD显示模块工作正常,GUI库中的函数方法适合于设计智能仪器的人机交互界面,使用串行口、PS2口连接的外备,如键盘、鼠标可以很好地完成外部输入处理。最后,本文还通过构建一个半导体管特性曲线图示仪系统完成了对课题研究内容的实际应用,经实践证明本设计具有很强的通用性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的与意义
• 1.2 发展及现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 基于SOPC的智能仪器总体设计
• 2.1 SOPC技术概述
• 2.1.1 SOC简介
• 2.1.2 SOPC技术简介
• 2.2 智能仪器总体结构
• 2.2.1 硬件设计
• 2.2.2 软件设计
• 2.3 SOPC设计流程
• 2.3.1 Quartus Ⅱ
• 2.3.2 SOPC Builder
• 2.3.3 Nios Ⅱ IDE
• 第三章 嵌入式人机交互系统的硬件设计
• 3.1 人机交互输出接口——LCD控制器设计
• 3.1.1 LCD控制器的原理及特性
• 3.1.2 总体设计方案
• 3.1.3 LCD时序信号生成模块
• 3.1.4 内部寄存器设计
• 3.1.5 帧缓存读模块设计
• 3.1.6 输出控制模块设计
• 3.2 人机交互输入接口设计
• 3.2.1 串口接口设计
• 3.2.2 标准PS2鼠标接口设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 面向智能仪器的嵌入式GUI系统设计
• 4.1 嵌入式GUI系统的体系结构
• 4.2 GUI底层图形模块设计
• 4.2.1 LCD初始化模块
• 4.2.2 像素点描绘模块
• 4.2.3 图形设备接口模块
• 4.3 屏幕管理模块
• 4.3.1 对象管理模块
• 4.3.2 消息管理模块
• 4.4 GUI控件对象模块
• 4.4.1 面向对象技术与GUI系统设计的结合
• Object'>4.4.2 基类Base_Object
• 4.4.3 面向智能仪器的菜单设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 高速数据采集接口及驱动程序设计
• 5.1 中断方式数据采集的设计
• 5.1.1 Nios Ⅱ硬件中断原理
• 5.1.2 中断方式的具体设计
• 5.2 DMA方式数据采集的设计
• 5.2.1 Nios Ⅱ DMA数据传输原理
• 5.2.2 DMA方式的具体设计
• 5.3 两种方式的比较
• 第六章 测试与应用
• 6.1 测试验证
• 6.1.1 测试系统的硬件构建
• 6.1.2 测试系统的效果演示
• 6.2 实际应用
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 下一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文目录