利用FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信接口之： 利用FPGA實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口

10.5利用FPGA實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口

10.5.1A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口的特點(diǎn)

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器是FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用器件，經(jīng)常用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片的性能指標(biāo)參數(shù)差別比較大，因此接口格式也無(wú)法統(tǒng)一。

10.5.2A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口的實(shí)現(xiàn)方法

1．標(biāo)準(zhǔn)接口的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器與FPGA的接口設(shè)計(jì)

在一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域，需要處理的信號(hào)單一，芯片廠家設(shè)計(jì)的芯片一般會(huì)遵循一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。例如音頻信號(hào)處理領(lǐng)域，很多廠家的音頻A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片都支持SPI接口。

FPGA實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的接口，如SPI接口，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或者FPGA廠家獲得一些參考代碼。FPGA芯片的生產(chǎn)廠家會(huì)在其開發(fā)工具軟件里面集成一些常用接口的IP核，設(shè)計(jì)者可以免費(fèi)使用，降低了開發(fā)難度。

另外，有一些開源的網(wǎng)站，如http://www.opencores.org等，也提供了免費(fèi)的接口IP核的源代碼下載服務(wù)。設(shè)計(jì)者可以下載代碼后，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證或者適當(dāng)修改后，應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中去。

2．特殊接口的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器與FPGA的接口設(shè)計(jì)

還有很多信號(hào)處理領(lǐng)域，如通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，需要處理的信號(hào)很復(fù)雜。這種情況下，A/D、D/A的芯片廠家一般會(huì)根據(jù)處理的精度和采樣的速度要求來(lái)設(shè)計(jì)接口時(shí)序。

設(shè)計(jì)者要根據(jù)廠家提供的芯片手冊(cè)給出的時(shí)序來(lái)設(shè)計(jì)接口。

有些高速的A/D或者D/A芯片會(huì)采用LVDS差分信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)。這樣的情況下，F(xiàn)PGA的管腳也要采用對(duì)應(yīng)的LVDS模式。

需要注意的是，F(xiàn)PGA上每一組LVDS管腳是成對(duì)出現(xiàn)的，不是任意分組的。而且，如果一個(gè)BANK被設(shè)定為L(zhǎng)VDS，那么這個(gè)BANK的所有管腳都是LVDS模式的。

10.5.3AD/DA轉(zhuǎn)換器接口的注意事項(xiàng)

1．選擇正確的時(shí)鐘采樣邊沿

對(duì)于一個(gè)邊沿采樣的數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)常需要確定采用上升沿還是下降沿來(lái)采樣數(shù)據(jù)。那么，選擇的依據(jù)就是保證數(shù)據(jù)采樣的穩(wěn)定、可靠。

為了保證同步，F(xiàn)PGA的采樣時(shí)鐘一般采用A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)是同步的。這個(gè)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的關(guān)系與A/D轉(zhuǎn)換芯片的具體型號(hào)有關(guān)。

圖10.20A/D芯片的部分輸出信號(hào)時(shí)序關(guān)系

例如，在如圖10.20所示的時(shí)序圖中，每當(dāng)時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生變化。那么這樣的情況下，在時(shí)鐘的下降沿的時(shí)候，數(shù)據(jù)是最穩(wěn)定的，適合采樣。

2．選擇適合的同步頭檢測(cè)方法

A/D芯片的輸出數(shù)據(jù)一般都是打包數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)幀的格式輸出。數(shù)據(jù)幀的同步格式分為兩種：外同步模式和內(nèi)同步模式。

圖10.21A/D芯片的部分輸出信號(hào)時(shí)序關(guān)系

外同步模式：是指除了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)外，還有同步指示信號(hào)。同步指示信號(hào)可以是脈沖信號(hào)，指示一幀有效數(shù)據(jù)的開始；也可以是電平信號(hào)，指示一幀有效數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間。

內(nèi)同步模式：是指輸出信號(hào)中只有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，同步頭隱藏在數(shù)據(jù)之中，如表10.7所示是ITU656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)。

表10.7 ITU656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)

其中，“FF0000EAV”和“FF0000SAV”就是幀同步頭，其作用也是用來(lái)指示有效數(shù)據(jù)開始和結(jié)束。其格式為：“FF0000XY”，XY的定義如下。

SAV_EVEN=8H80

EAV_EVEN=8H9D

SAV_ODD=8HC7

EAV_ODD=8HDA

3．選擇有效的緩存策略

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，緩存結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)的性能。對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，可以采用一個(gè)FIFO或者雙口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存。如果單緩存不能滿足系統(tǒng)的性能要求，可以采用乒乓結(jié)構(gòu)的緩存。

在有些特殊情況下，采集模塊后面數(shù)據(jù)處理模塊的處理時(shí)間不固定，和數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)。這時(shí)候采用乒乓結(jié)構(gòu)的緩存策略就不能滿足要求了，因?yàn)槠古医Y(jié)構(gòu)的切換時(shí)間一般是固定的，而且和數(shù)據(jù)內(nèi)容是無(wú)關(guān)的。

還有一種比乒乓結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的緩存管理策略，那就是三緩存環(huán)形結(jié)構(gòu)。如圖10.22所示，這樣的結(jié)構(gòu)雖然比乒乓結(jié)構(gòu)提供了更好的緩存性能，但是管理的復(fù)雜度大大提高了，系統(tǒng)的延遲也增加了。

圖10.22三緩存的環(huán)形緩存區(qū)示意圖

無(wú)論是單緩存，雙緩存還是三緩存結(jié)構(gòu)，只要能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集要求就是有效的緩存策略。