基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)單片式8路高速數(shù)字信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

1 引言

由于數(shù)字信號(hào)只有高電平和低電平兩種情況，因此，用單片機(jī) （MCU）就可直接實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和邏輯分析。但由于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，完成一次采樣的時(shí)間受程序執(zhí)行指令速度的限制，采樣速率通常不超過1MHz。因此，用單片機(jī)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)低速率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯分析。FPGA的工作時(shí)鐘速率通常可達(dá)200MHz以上，可對(duì)高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，但普通的FPGA在與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)顯得不靈活。為了解決上述問題，通常是將MCU與FPGA結(jié)合起來，用 FPGA對(duì)高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，用MCU負(fù)責(zé)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，如圖1所示。

圖1 邏輯分析儀框圖

隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，Altera公司研發(fā)了可以嵌入軟 CPU核的 Cyclone系列和 Stratix系列的 FPGA芯片。嵌入式軟核與普通硬核的昀大差別在于它的可裁減性，設(shè)計(jì)者可根據(jù)設(shè)計(jì)需求定制出不同結(jié)構(gòu)的軟核處理器。軟 CPU核的嵌入實(shí)現(xiàn)了 CPU與 FPGA的無縫連接，使芯片既能處理高速數(shù)字信號(hào)，又能方便靈活地與芯片外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還增加了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

2 定制軟 CPU核

軟核的定制要利用 Altera公司提供的 SOPC Builder軟件。

2.1 定制 NiosⅡ處理器

早期的軟核處理器是Nios，但其穩(wěn)定性不夠好，現(xiàn)已被 NiosⅡ所替代。

NiosⅡ處理器有三種類型：e（經(jīng)濟(jì)型 ）、s（標(biāo)準(zhǔn)型）和 f（增強(qiáng)型）。選擇不同類型的處理器所占用的邏輯資源和存儲(chǔ)器資源大小不同，處理器的運(yùn)算速度處理能力也有所差別。

2.2 定制片內(nèi)RAM

片內(nèi)RAM作為軟核程序的運(yùn)行空間，對(duì)于沒有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，片內(nèi)RAM是必須的部分。通過軟件設(shè)計(jì)向?qū)В梢栽O(shè)置片內(nèi)存儲(chǔ)器的類型，大小，以及初始化文件。 Cyclone系列芯片有 13～64個(gè)片內(nèi) RAM塊，每個(gè) RAM塊的大小是 4K（128字×36位），用戶可根據(jù)需要設(shè)置存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)和字長。當(dāng)定義的字?jǐn)?shù)超過 128時(shí)，多個(gè) RAM塊可組成在一起，構(gòu)成更大容量的存儲(chǔ)器，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 定制UART接口

UART接口是軟核與計(jì)算機(jī)通信的主要接口，通過設(shè)計(jì)向?qū)Э啥ㄖ?UART接口。在定制 UART接口時(shí)，可以設(shè)置其波特率，校驗(yàn)位，是否允許 DMA控制。通過此基本設(shè)置，軟核可以與 PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串口通信的功能。

2.4 定制LCD控制端口和鍵盤控制端口

此類端口是普通I/O端口，設(shè)置比較簡單。需要注意的是LCD的數(shù)據(jù)端口是8位的雙向端口。當(dāng)定制了以上4部分后，即可生成軟CPU核。

3 最小系統(tǒng)形成

完成定制軟核后，需要對(duì)軟核編程，形成基于軟核的昀小系統(tǒng)。

對(duì)軟核的編程在Nios ⅡIDE環(huán)境下進(jìn)行。首先利用軟件生成針對(duì)某軟核的模版程序，用戶程序都可以從模版開始。在生成模版程序的同時(shí)，也形成了 system.h文件，此文件中包含了對(duì)用戶編程有用的許多信息，包括所有端口的地址空間分配，中斷號(hào)等。在文件altera_avalon_pio_regs.h中包含了對(duì)普通 I/O端口進(jìn)行讀寫操作的函數(shù)，通過對(duì)函數(shù)的調(diào)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)端口的操作。在文件 altera_avalon_uart_regs.h中包含了對(duì) UART操作的基礎(chǔ)函數(shù)，對(duì)串口的所有操作，都可通過對(duì)此中函數(shù)的調(diào)用來完成。

在昀小系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)軟核對(duì) LCD的數(shù)據(jù)交換，讀取鍵盤值，以及與計(jì)算機(jī)之間的通信。本設(shè)計(jì)鍵盤使用 4*4鍵盤，顯示器采用 240*128點(diǎn)陣 LCD顯示模塊。主要子程序流程圖如圖2所示。

圖2 鍵盤掃描和LCD控制程序流程圖

4 基于軟核的邏輯分析儀設(shè)計(jì)

4.1總體結(jié)構(gòu)

基于 NiosⅡ的邏輯分析儀，采用 FPGA硬件對(duì)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，NiosⅡ軟核進(jìn)行交互、控制和通信，并且可以通過 LCD顯示所采集數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)或通過 RS-232接口與 PC機(jī)通信，在 PC上顯示數(shù)據(jù)的波形并對(duì)數(shù)據(jù)長期存儲(chǔ)。另外，通過鍵盤可對(duì)邏輯分析儀的采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這些設(shè)置也都可以通過 PC機(jī)進(jìn)行。邏輯分析儀的整體結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 嵌入式邏輯分析儀總結(jié)構(gòu)框圖

4.2嵌入模塊

4.2.1觸發(fā)核模塊

觸發(fā)核主要決定什么時(shí)候采集數(shù)據(jù)，什么時(shí)候完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集。在本設(shè)計(jì)中，觸發(fā)條件分上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)和低電平觸發(fā)四種。區(qū)分這 4種觸發(fā)信息至少要用到連續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)，因此每級(jí)觸發(fā)條件有兩個(gè)條件判斷字，觸發(fā)核通過兩次比較判斷是否觸發(fā)。觸發(fā)核是硬件核，由組合電路和觸發(fā)器組成。

4.2.2 PLL模塊

在對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，需要的時(shí)鐘頻率至少應(yīng)是數(shù)字信號(hào)波特率的 5倍。Cyclone器件的嵌入式數(shù)字 PLL要求外部輸入 CLK信號(hào)昀低頻率不能低于 20MHz，可通過分頻的方式得到低頻 CLK，通過倍頻的方式得到高頻 CLK，也可通過倍頻和分頻組合得到特殊的輸出頻率，本設(shè)計(jì)采用 25倍頻和 2分頻，使昀高時(shí)鐘頻率達(dá) 250MHz。

4.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

由于軟核在工作時(shí)也是在執(zhí)行指令，運(yùn)行速度不快，不能完成對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的采集。為此，本設(shè)計(jì)在 FPGA芯片中嵌入了 FIFO，作為數(shù)據(jù)的緩存。所采集的數(shù)據(jù)，首先存入 FIFO存儲(chǔ)器中，這個(gè)過程全部通過硬件完成，每個(gè)采樣時(shí)鐘周期可完成一次數(shù)據(jù)的寫入操作。當(dāng) FIFO中數(shù)據(jù)寫滿時(shí)，存儲(chǔ)器將通知軟核讀取數(shù)據(jù)，軟核完成數(shù)據(jù)的處理、顯示和傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

由于 Cyclone器件中 FIFO的容量不大，若采用固定的采用時(shí)鐘，當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)的波特率較低時(shí)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可能還不到一個(gè)碼元寬度的數(shù)據(jù)，從而無法在 LCD上顯示其波形。因此，本設(shè)計(jì)采用了程控調(diào)整采樣速率，從而保證了無論是低波特率信號(hào)還是高波特率信號(hào)，系統(tǒng)都能正確采樣和顯示波形。

4.3 軟核設(shè)計(jì)

軟核作為設(shè)計(jì)的控制核心具有重要作用，為了完成對(duì)8路數(shù)據(jù)觸發(fā)模式的設(shè)置，以及與PC機(jī)通信，在用SOPC Builder軟件定制軟核時(shí)，為其加入了UART接口和若干位輸入輸出端口，這些端口也實(shí)現(xiàn)了通過鍵盤對(duì)各路數(shù)據(jù)觸發(fā)方式和其它各參數(shù)的設(shè)置。

4.4軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)編程語言采用的是C++，軟件流程包括參數(shù)設(shè)置、觸發(fā)判斷、數(shù)據(jù)采集、分析與通信、圖形顯示五個(gè)方面，主程序流程如圖5所示。

圖4 邏輯分析儀工作流程

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過在Cyclone芯片中嵌入軟CPU、數(shù)字PLL、FIFO和UART，實(shí)現(xiàn)了單片式 8路高速數(shù)字信號(hào)分析儀?？捎面I盤改變采樣速率，滿足對(duì)不同速率的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣；用點(diǎn)陣式LCD顯示所采集的8路數(shù)字信號(hào)；也可通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)250MHz（CycloneⅡ芯片所支持的最高工作頻率），從而可以對(duì)8路波特率為 50Mbs的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集與顯示。

圖5 PC機(jī)顯示的8路數(shù)字信號(hào)波形

圖5是通過嵌入式邏輯分析儀采集后，通過串行通信口送到PC機(jī)，在PC機(jī)屏幕上顯示的8路數(shù)字信號(hào)實(shí)拍照片。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是：在Cyclone芯片中嵌入軟CPU、PLL和FIFO．實(shí)現(xiàn)了CPU與FPGA的無縫連接。利用軟CPU接收鍵盤的信息、驅(qū)動(dòng)LCD和與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：利用芯片中PLL將低頻時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為高速時(shí)鐘。并利用芯片中FIFO完成了對(duì)高速

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