基于FPGA的水聲信號采樣存儲系統(tǒng)設(shè)計

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

3.1 硬件邏輯設(shè)計

硬件邏輯設(shè)計主要包括主控IP 核設(shè)計與主端口IP 核設(shè)計兩部分工作，分別實現(xiàn)對于 AD 采樣數(shù)據(jù)的存儲和讀取時序控制，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，方便整合到傳感器節(jié)點的整體設(shè)計當中。作為傳感器 節(jié)點的組成部分，為水聲通信試驗的順利進行提供可靠保證。 硬件邏輯設(shè)計圖，如圖 2 所示。

3.1.1 SDRAM 主控IP 核設(shè)計

主控IP 核通過對于QuartusII 自帶的SDRAM 控制器進行控制，實現(xiàn)變速率AD 采樣的 功能，以及讀寫SDRAM 的邏輯功能。由于SDRAM 控制器實現(xiàn)了對于SDRAM 芯片的時 序操作，所以讀寫時序設(shè)計是針對SDRAM 控制器進行[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)飛讀是將當前AD 采樣值送回至CPU，并通過串口返回到前置機，方便實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。對于數(shù)據(jù)環(huán)形 讀取SDRAM 操作，通過設(shè)置首地址指針寄存器，在每次寫操作之后自動加一，實現(xiàn)環(huán)形 存儲水聲通信數(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，始終讀取最新時刻的采樣存儲數(shù)據(jù)。 讀操作過程主要狀態(tài)機，如圖 3 所示。

其中 work 過程包含的獨立狀態(tài)機，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 控制器讀時序要求。

（3）third：判斷sdram_read_wait 信號值，如果為1，則維持當前狀態(tài)，同時讀使能信號置位；如果為0，則進入下一狀態(tài)。

（4）fourth：判斷sdram_read_valid 信號值，如果為0，則維持當前狀態(tài)；如果為1，將讀回數(shù)據(jù)寫入讀SDRAM 數(shù)據(jù)寄存器，同時讀使能信號復(fù)位。

變速率AD 采集與數(shù)據(jù)環(huán)形存儲操作主要是由主控IP 核寫SDRAM 的過程實現(xiàn)。為保 持采樣時刻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對AD 時鐘進行分頻，通過設(shè)置不同分頻寄存器，實現(xiàn)變速 率采樣的目的。數(shù)據(jù)環(huán)形存儲SDRAM 操作是靠每次分頻時鐘SDRAM_WRITE_CLK 的上 升沿觸發(fā)，基本時序過程與讀過程狀態(tài)機類似。系統(tǒng)從0 地址開始寫操作，一旦寫滿預(yù)設(shè)存 儲區(qū)域，則從下一寫時刻開始，數(shù)據(jù)寫入初始地址，以此類推，實現(xiàn)環(huán)形存儲操作。同時， 讀寫操作不能進行同時進行，通過讀寫選擇控制器的設(shè)置，分別按照不同狀態(tài)進行操作。