基于FPGA的水聲信號(hào)采樣存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 硬件邏輯設(shè)計(jì)

硬件邏輯設(shè)計(jì)主要包括主控IP 核設(shè)計(jì)與主端口IP 核設(shè)計(jì)兩部分工作，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)于 AD 采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取時(shí)序控制，以及AVALON 總線的主端口建立的目的。硬件邏輯 利用IP 核模塊化，移植性好的特點(diǎn)，方便整合到傳感器節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)當(dāng)中。作為傳感器 節(jié)點(diǎn)的組成部分，為水聲通信試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供可靠保證。 硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，如圖 2 所示。

3.1.1 SDRAM 主控IP 核設(shè)計(jì)

主控IP 核通過(guò)對(duì)于QuartusII 自帶的SDRAM 控制器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變速率AD 采樣的 功能，以及讀寫(xiě)SDRAM 的邏輯功能。由于SDRAM 控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)于SDRAM 芯片的時(shí) 序操作，所以讀寫(xiě)時(shí)序設(shè)計(jì)是針對(duì)SDRAM 控制器進(jìn)行[3]。

系統(tǒng)讀 SDRAM 操作分為數(shù)據(jù)飛讀與數(shù)據(jù)環(huán)形讀取兩種功能[4]。其中，數(shù)據(jù)飛讀是將當(dāng)前AD 采樣值送回至CPU，并通過(guò)串口返回到前置機(jī)，方便實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。對(duì)于數(shù)據(jù)環(huán)形 讀取SDRAM 操作，通過(guò)設(shè)置首地址指針寄存器，在每次寫(xiě)操作之后自動(dòng)加一，實(shí)現(xiàn)環(huán)形 存儲(chǔ)水聲通信數(shù)據(jù)的目的。在每次環(huán)形數(shù)據(jù)讀取操作發(fā)起之前，預(yù)讀首地址指針寄存器，以 此為起始地址，始終讀取最新時(shí)刻的采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 讀操作過(guò)程主要狀態(tài)機(jī)，如圖 3 所示。

其中 work 過(guò)程包含的獨(dú)立狀態(tài)機(jī)，由如下四部分構(gòu)成：

（1）first：片選有效，讀使能有效，送讀SDRAM 地址。

（2）second：讀使能有效，滿足SDRAM 控制器讀時(shí)序要求。

（3）third：判斷sdram_read_wait 信號(hào)值，如果為1，則維持當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)讀使能信號(hào)置位；如果為0，則進(jìn)入下一狀態(tài)。

（4）fourth：判斷sdram_read_valid 信號(hào)值，如果為0，則維持當(dāng)前狀態(tài)；如果為1，將讀回?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入讀SDRAM 數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)讀使能信號(hào)復(fù)位。

變速率AD 采集與數(shù)據(jù)環(huán)形存儲(chǔ)操作主要是由主控IP 核寫(xiě)SDRAM 的過(guò)程實(shí)現(xiàn)。為保 持采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)AD 時(shí)鐘進(jìn)行分頻，通過(guò)設(shè)置不同分頻寄存器，實(shí)現(xiàn)變速 率采樣的目的。數(shù)據(jù)環(huán)形存儲(chǔ)SDRAM 操作是靠每次分頻時(shí)鐘SDRAM_WRITE_CLK 的上 升沿觸發(fā)，基本時(shí)序過(guò)程與讀過(guò)程狀態(tài)機(jī)類(lèi)似。系統(tǒng)從0 地址開(kāi)始寫(xiě)操作，一旦寫(xiě)滿預(yù)設(shè)存 儲(chǔ)區(qū)域，則從下一寫(xiě)時(shí)刻開(kāi)始，數(shù)據(jù)寫(xiě)入初始地址，以此類(lèi)推，實(shí)現(xiàn)環(huán)形存儲(chǔ)操作。同時(shí)， 讀寫(xiě)操作不能進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)讀寫(xiě)選擇控制器的設(shè)置，分別按照不同狀態(tài)進(jìn)行操作。