基于Microblaze系統(tǒng)的AD數(shù)據(jù)采樣與實現(xiàn)

MicroBlaze軟內核是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強火的32位微處理器，適用于所有現(xiàn)產的FPGA器件。MicroBlaze軟內核和其它外設IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設計。MicroBlaze軟內核采用RISC(reduced instruction system computer)架構和哈佛(Harvard)結構的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內部有32個通用寄存器R0～R31和2個特殊寄存器程序指針(PC)和處理器狀態(tài)寄存器(MSR)。MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存，所有的指令長度都是32位，有3個操作數(shù)和兩種尋址模式，指令功能劃分有邏輯運算，算術運算，分支，存儲器讀／寫和特殊指令等，指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級流水線：取指，譯碼和執(zhí)行。MicroBlaze軟內核結構如圖1所示。

Microblaze軟內核，片上本地存儲器，標準總線互連以及基于片上外設總線(OPB)的外圍設備構成了MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)。

2 MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程

在用Xilinx公司生產的FPGA進行嵌入式設計時，Xilinx公司提供嵌入式開發(fā)工具EDK，它由XPS(xilinxplatform studio)，SDK(software development kit)，creat―import peripheral和XMD(xilinx microprocessordebugger)組成。

其中XPS是主設計程序平臺，可以實現(xiàn)嵌入式開發(fā)的所有步驟環(huán)節(jié)，其它的軟件工具可以在XPS里面直接調用。SDK是軟件開發(fā)工具，支持C和C++，主要完成軟件的設計。creat―import peripheral工具實現(xiàn)用戶IP核和CPU的接口設計。XMD主要完成軟件調試。

進行硬件設計時，EDK以IP cote的形式，提供諸如LMB、OPB總線接口、外部存儲控制器、SDRAM控制器、UART中斷控制器、定時器及其他一些外圍設備接口等資源，利用這些資源，用戶能夠輕松構建一個完善的嵌入式處理器系統(tǒng)。進行相應的軟件設計時，EDK提供了外設IP驅動程序和大量的函數(shù)庫，板級支持包(BSP：board support package)以及完整的操作系統(tǒng)以幫助用戶開發(fā)軟件平臺。

當用戶需要定制自己的外設以完成一些特殊功能時，用戶可以Xilinx公司提供的Project Navigator ISE環(huán)境下，用VerilogHDL或者VHDL代碼完成用戶IP core的設計，利用XPS中提供的creat―import peripheral工具完成創(chuàng)建和導入用戶IP core。利用EDK現(xiàn)有的IP core和用戶自定義IP core可以建立一個完善的嵌入式系統(tǒng)。在XPS開發(fā)環(huán)境下，完整的開發(fā)流程如圖2所示。

MHS和MSS文件都是由用戶根據(jù)整個系統(tǒng)的要求通過EDK生成的。其中MHS文件包含了對整個MicroBlaze系統(tǒng)組織的描述(包括處理器、總線、外設等)，用戶也可以根據(jù)自己的實際情況修改MHS文件(例如opb_gpio的輸出寬度)，完善系統(tǒng)設計。硬件平臺生成器(PlatGen)產生整個系統(tǒng)的網表，結合約束文件可最終生成可配置文件(.bit)用以下載。MSS文件包含了所有外設的驅動等信息的描述，庫生成器(LibGen)通過它產生所需的驅動，用戶根據(jù)這些驅動文件完成軟件調度程序，再由MB2GCC工具對調度程序進行編譯生成可執(zhí)行程序。最后.bit文件和軟件程序合成下載到開發(fā)板。若程序執(zhí)行不理想，可以用 XMD進行軟件調試，找出問題所在，解決問題完成設計。

3 AD數(shù)據(jù)采樣與實現(xiàn)

本設計給出了AD數(shù)據(jù)接收、采樣、存儲。天線接收到的信號，經過信號斛析，得到了時間信息，產生數(shù)字信號，經過30.69MHz 中頻調制，送入ad_transmit完戰(zhàn)AD采樣，存儲到嵌入在開發(fā)板上的blockram里面，可以通過FPGA調試工具chipscope來觀察AD采樣數(shù)據(jù)。

本設計采用的足e元素科技的Virtex4系列開發(fā)板，該開發(fā)板上有嵌入的兩個AD數(shù)據(jù)接口(adc0，adc1)，在本設計采用的是adc0。AD采樣是用Verilog代碼設計完成的，在ISE環(huán)境下仿真驗證成功，掛載到OPB總線上。其硬件平臺如圖3所示。

構建實驗的系統(tǒng)資源為：

MicroBlaze：系統(tǒng)的核心模塊；

LMB總線：(1)ILMB BRAM Cntrl，DLMBBRAM Cntrl內部BRAM控制接口IP，使得MicroBlaze可以通過LMB總線訪問BRAM；(2)BRAM-BLOCK(片內存儲模塊)，可作為系統(tǒng)的程序存儲空間或高速緩存；

OPB總線：(1)通信接口IP，通過OPB-UARTLITE(串行通信接口)，驅動uart接口轉換器完成與外部系統(tǒng)如 PC的數(shù)據(jù)通信；(2)用戶接口IP，通過OPB總線訪問 MicroBlaze。

天線等外圍設備：天線、信號解析、信號產生器和中頻調制完成根據(jù)解析出的時間信息產生數(shù)字信號，調制為中頻模擬信號，中頻調制頻率為30.69MHz。

Uart端口：通過超級端口觀察軟件凋度程序的執(zhí)行過程。

Chipscope核：ila核及icon核用來觀察數(shù)據(jù)，icon核控制ila核，ila核連接所需要觀察的信號的端口。

Dcm時鐘控制：控制AD采樣速率，本設計采樣頻率為81.84MHz。

設計中的硬件描述文件(MHS)即為按照上面定制的硬件平臺框圖中給出的系統(tǒng)資源編寫的，其部分內容如下：

給出的MHS文件中，列出了用戶IP ad_transmit 地址，時鐘還有端口連接情況，其中ad_transmit_0_ad_din設置為外部端口，連接到開發(fā)板上FPGA相應的adc0端口。chipscope_ila則列出了通過chipscope觀察的信號。

軟件描述文什(MSS)列出了所有外設的驅動信息，函數(shù)庫產生器利用這些配置信息，配置相應的驅動程序函數(shù)庫。用戶根據(jù)這些驅動程序來完成軟件調度程序，完成軟件設計。本設計主要通過硬件來實現(xiàn)，軟件調度程序比較簡單，流程圖如4所示。

完成軟件調度程序以后，就可以對源程序進行編澤、匯編和鏈接，生成可執(zhí)行義件，通過在XPS中利用工具“data2bram”，將軟件設計中生成的程序代碼作為存儲區(qū)的初始化數(shù)據(jù)，合并到硬件設計中生成的下載配置文件中，最終生成包含軟、硬件設計的FPGA下載配置文件“download.Bit”，就可以將其下載到芯片中驗證本設計。

通過FPGA調試工具chipscope來觀察接收的AD采樣數(shù)據(jù)，本設計中設定了AD數(shù)據(jù)溢出控制，即AD采樣數(shù)據(jù)在-8192～+8192之間，AD采樣數(shù)據(jù)如圖5，圖6所示，實現(xiàn)AD數(shù)據(jù)采樣。

本設計將用戶IP ad_transimit掛載到OPB總線上，采用chipscope對AD采樣數(shù)據(jù)進行觀察，通過觀察與分析，可以得出本設計很好的完成了AD數(shù)據(jù)接收，采樣，存儲，是一個完整的AD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。進一步可以對存儲的AD采樣數(shù)據(jù)進行更為復雜的數(shù)據(jù)處理過程。