基于SOPC技术的虚拟彩条信号发生器的设计与实现

论文摘要

本论文的研究目的是研制一个基于SOPC技术的虚拟彩条信号发生器（简称仪器）,用于测试各种VGA显示器性能。该仪器由上位机和下位机两部分组成。上位机是在通用微机系统上使用LabVIEW软件实现的虚拟仪器控制面板,功能是产生并传递彩条信号的模式和颜色到SOPC系统。下位机是一个SOPC系统,其功能是根据上位机设定的模式和颜色,产生满足要求的标准VGA彩条和同步信号。上位机和下位机采用串口传递数据。SOPC即可编程片上系统,用可编程逻辑技术把CPU核、CPU外围电路、系统所需其他逻辑电路放到一块硅片上。下位机使用Xilinx公司ISE 9.1i集成开发环境作为开发工具,采用Xilinx公司的IP软核（CPU核）及部分外围电路VHDL源码,同时使用VHDL语言自行设计了一些特有外围电路及SOPC系统所需逻辑电路,写到FPGA中,组成了虚拟彩条信号发生器专用的SOPC系统。上位机虚拟仪器控制面板程序在通用微机上实现,利用微机组网和处理功能,可使仪器和其他仪器组成显示器自动化测试系统,这也是本设计采用虚拟仪器方案的原因。在导师指导下,该仪器所有研制工作全部由作者独立完成,完成主要工作如下:1.根据现有条件以及虚拟彩条信号发生器的设计要求,提出了虚拟彩条信号发生器的总体设计方案。2.使用VHDL语言设计了仪器专用逻辑电路,设计并实现了本仪器专用的SOPC。3.使用LabVIEW软件设计虚拟仪器控制面板。4.编写上位机和下位机串口通信程序。5.编写SOPC系统中CPU汇编语言全部仪器控制程序。本仪器的虚拟仪器控制面板使用美国国家仪器公司的软件LabVIEW在通用微机系统上开发实现。下位机的功能在Spartan-3E Starter Kit开发板上实现。若在此基础上继续开发,可实现独立于开发板的下位机。采用虚拟彩条信号发生器的设计思想和步骤,增加相应的器件,则可以把本仪器设计成任意图形发生器。本仪器的设计思想和开发步骤对其他同类仪器以及SOPC系统的设计,也有很好的参考价值。本文最后对仪器进行了调试和实现。经实验证明,该仪器稳定可靠且具有开发周期短、成本低、灵活性高等特点。适用于小批量生产或有特殊功能要求的场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 基于SOPC 图像控制器组成
• 1.2 基于SOPC 技术的虚拟彩条信号发生器的研究现状及意义
• 1.3 本文的主要工作及内容
• 2 基础知识介绍
• 2.1 FPGA/SOPC 相关知识介绍
• 2.1.1 可编程逻辑器件概述
• 2.1.2 现场可编程门阵列FPGA
• 2.1.3 SOPC 综述
• 2.2 SPARTAN-3E STARTER KIT 开发板简介
• 2.3 虚拟仪器与LABVIEW 简介
• 2.3.1 虚拟仪器概念[7]
• 2.3.2 LabVIEW 简介
• 2.4 VGA 接口
• 3 系统总体方案
• 3.1 仪器设计思想概述
• 3.1.1 仪器上位机设计概述
• 3.1.2 仪器下位机设计概述
• 3.2 VHDL 简介及下位机FPGA 引脚功能定义
• 3.2.1 仪器下位机FPGA 引脚功能定义
• 3.3 显示器原理及VGA 时序原理
• 3.3.1 显示器原理
• 3.3.2 VGA 时序原理及介绍
• 3.4 ISE 9.1i 软件
• 3.4.1 ISE 9.1i 软件设计流程
• 3.4.2 ISE 9.1i 软件操作简介
• 3.5 串口通信
• 3.5.1 串口通信原理
• 3.5.2 RS-232 协议
• 3.5.3 UART 简介
• 4 嵌入控制器汇编模块设计
• 4.1 PICOBLAZE 控制器概述
• 4.1.1 KCPSM3 简介
• 4.1.2 KCPSM3 的使用
• 4.1.3 KCPSM3 指令系统
• 4.2 嵌入控制器汇编模块设计
• 4.2.1 嵌入控制器汇编模块详细设计
• 5 VGA 控制模块设计
• 5.1 VGA 时序设计
• 5.1.1 像素时钟
• 5.1.2 VGA 时序设计
• 5.2 VGA 控制模块的VHDL 设计
• 5.2.1 分频模块产生进程
• 5.2.2 水平和垂直时序控制信号进程
• 5.2.3 使能信号
• 5.2.4 模式控制信号
• 5.3 颜色控制模块
• 6 LABVIEW 模块设计
• 6.1 LABVIEW 串行通信介绍
• 6.2 LABVIEW 串口通信程序
• 7 系统实现
• 7.1 约束概念
• 7.1.1 周期约束（PERIOD 约束）和IO 引脚约束概念
• 7.1.2 用户约束文件（UCF）
• 7.1.3 UCF 约束文件
• 7.2 程序下载及实现
• 7.2.1 FPGA 配置方式
• 7.2.2 程序下载及实现
• 结论
• 参考文献
• 后记