基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 FPGA控制A/D芯片接口的軟件設(shè)計

在adc.v模塊中，需要完成FPGA對TLV1572的接口邏輯代碼的設(shè)計，其實質(zhì)就是在TLV1572的時序分析的基礎(chǔ)上來設(shè)計邏輯代碼，使得FPGA能夠按照其時序要求完成對A/D芯片的各種控制，包括提供給TLV1572的串行時鐘信號信號ADC_CLK、CS片選信號ADC_CSn以及從TLV1572中讀取出轉(zhuǎn)換完成的串行數(shù)據(jù)S_DATA。

TLV1572的時序圖如圖5所示。

圖5 TLV1572的時序圖

從時序圖可見，A/D芯片的轉(zhuǎn)化過程是在當(dāng)CS為低電平后，由SCLK的上升沿發(fā)起的，輸出的頭六位二進制數(shù)字均為“0”，此時A/D芯片正處于采樣階段，數(shù)字無效，這六位無效的二進制數(shù)之后，A/D轉(zhuǎn)換完成后的二進制數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被送到總線上，這時，作為系統(tǒng)主控制芯片的FPGA應(yīng)當(dāng)去采樣總線上的數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

2.2 FPGA控制USB2.0芯片的軟件設(shè)計

在usb.v模塊中，需要完成FPGA對CY7C68013A的接口邏輯代碼的設(shè)計和異步FIFO模塊的設(shè)計。其中，對CY7C68013A的接口邏輯代碼主要是完成對CY7C68013A芯片的端點FIFO的各種控制，包括16位的數(shù)據(jù)信號FIFO_DATA[15：0]、2位端點FIFO選擇信號FIFO_ADDR[1：0]、端點FI-FO滿標(biāo)志位信號FIFO_Full、端點FIFO寫使能信號FIFO_WR_en。因為adc.v模塊和芯片外部的CY7C68013A工作在不同的時鐘域內(nèi)，故異步FIFO模塊設(shè)計部分設(shè)計的目的除了是要完成從ade.v模塊讀取過來數(shù)據(jù)的緩沖，另外就是需要解決異步時鐘域數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問題。

具體來說，F(xiàn)PGA在工作時需要不斷向CY7C68013A的端點FIFO寫入數(shù)據(jù)，而FPGA與CY7C68013A之間的工作模式屬于同步方式，兩者都由PLL _2模塊提供40 MHz的時鐘信號進行工作，那么它們之間的關(guān)系就是同步Slave FIFO的寫操作，由FPGA向CYTC68013A中寫入數(shù)據(jù)。

在Verilog HDL程序設(shè)計中，需要設(shè)計一個狀態(tài)機來完成同步Slave FIFO寫的時序，寫時序如下;1)IDLE：當(dāng)寫事件發(fā)生時，進狀態(tài)1;2)狀態(tài)1：使FIFOADR[1：0]指向IN FIFO，進狀態(tài)2;3)狀態(tài)2：如果端點FIFO滿，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進狀態(tài)3;4)狀態(tài)3：驅(qū)動數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個IFCLK周期，進狀態(tài)4;5)狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進狀態(tài)2，否則進入IDLE狀態(tài)。

該狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖如圖6所示。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖

2.3 FPGA的頂層模塊的設(shè)計

由圖4可知，top.v模塊是FPGA整個系統(tǒng)的頂層模塊，它通過頂層調(diào)用的方式把adc.v和usb.v兩個模塊組合成一個完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界進行通信是通過top.v這個模塊對外的各個接口來實現(xiàn)的，具體到器件層面，就表現(xiàn)為由top.v文件定義的FPGA的相關(guān)的管腳來和A/D與USB2.0芯片進行數(shù)據(jù)的交換、控制信息以及時鐘信號的傳遞。這種自頂向下的設(shè)計方法，不僅符合人的思維邏輯，也大大地簡化了大規(guī)模邏輯電路的設(shè)計工作，使人們從繁瑣的自底向上的底層設(shè)計中解放出來，以一種系統(tǒng)級的思維模式設(shè)計電路。這是自頂向下設(shè)計方法的巨大優(yōu)勢之一。頂層top.v模塊是通過例化的方式來調(diào)用adc.v模塊和usb.v模塊的以及PLL模塊。

2.4 USB2.0芯片的固件程序設(shè)計

在USB的體系中，無論是其本身的規(guī)范還是各種廠家所提供的芯片資料，關(guān)于主機對USB的檢測都稱之為枚舉Enumeration(and ReNumer-ation)，即枚舉(與重新枚舉)。固件在這發(fā)揮了無法替代的作用。應(yīng)該說所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開固件的參與，固件的作用就是輔助硬件，或者說是控制硬件來完成預(yù)期的設(shè)備功能。沒有固件的參與和控制，硬件設(shè)備只是芯片的簡單堆砌，無法實現(xiàn)預(yù)期的功能。

CY7C68013A內(nèi)部集成了增強型的8051內(nèi)核，它與8051指令集二進制是兼容的，那么就可以選擇匯編或者高級語言C51來編寫固件代碼，兩者各有優(yōu)缺點，適用的環(huán)境也不同。本設(shè)計中采用C51來編寫固件程序，關(guān)于開發(fā)C51語言的Keil μVision 2開發(fā)編譯環(huán)境在此不再贅述。

Cypress公司為了簡化和加速用戶使用CY7C68013A芯片進行USB外設(shè)的開發(fā)過程，特別設(shè)計了一個完整的固件程序的框架。這個框架可以執(zhí)行CY7C68013A芯片的初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的處理和USB掛起電源管理服務(wù)。用戶只需要提供一個USB描述符表，添加其他端點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼。

在Keil μVision 2集成開發(fā)環(huán)境下，新建工程后，需要將工程代碼復(fù)制到工程目錄中并添加至工程列表中，開發(fā)固件程序需要幾個重要的文件依次為：1)fw.c，框架程序的代碼。2)periph.c，用戶函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義，外圍設(shè)備的控制文件。在上節(jié)中，主程序fw.c調(diào)用的TD_lnit()函數(shù)即在此定義出來。3)dscr.a51，USB描述符表，上節(jié)中關(guān)于描述符的定義在這個文件中給出。4)EZUSB.lib，EZ-USB函數(shù)庫目標(biāo)代碼。5)USBJmpTb.OBJ，EZ-USB中斷向量和跳轉(zhuǎn)表。6)FX2.h，程序運行所需要的一些宏定義。7)fx2regs.h，CY7C68013A相關(guān)的寄存器定義及位屏蔽的宏定義。8)syncdly.h，定義了若干延時函數(shù)供程序調(diào)用。

3 Modelsim環(huán)境下仿真與結(jié)果

ModelSim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL硬件描述語言的仿真軟件，該軟件可以用來實現(xiàn)對設(shè)計的VBDL、Verilog HDL或是兩種語言混合的程序進行仿真，同時也支持IEEE常見的各種硬件描述語言標(biāo)準(zhǔn)。

目前需要對adc.v模塊進行功能仿真，以此驗證該模塊的功能的正確性。仿真測試的方法就是給adc.v這個模塊的s_data數(shù)據(jù)輸入端，即A/D芯片的串行數(shù)據(jù)的輸出端，加載一組測試數(shù)據(jù)，每16個為一組測試數(shù)據(jù)，模擬在真實環(huán)境下從A/D芯片讀取出來的二進制數(shù)據(jù)，然后在adc.v模塊的輸出端，即并行的16位寬的data_out端口觀察是否與給定的測試數(shù)據(jù)相一致。假如一致，則模塊的功能是正確的。假如有個別位的數(shù)據(jù)不一致，則需要檢查模塊的代碼是否存在問題。在編輯器中編寫Testbench程序如下(非關(guān)鍵的程序限于篇幅，就省略了)：

由上面的程序可以看見，給s_data端加載的一組16位二進制數(shù)據(jù)為“0000-0011_0110_1011”。在ModelSim環(huán)境下，將待測試的文件與該測試文件放在同一個工程下，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后運行仿真可以得到如下仿真波形，如圖7所示。