基于FPGA的DDS IP核設(shè)計(jì)

摘要：以Altera公司的QuartusⅡ7．2作為開發(fā)工具，研究了基于FPGA的DDS IP核設(shè)計(jì)，并給出基于Signal TapⅡ嵌入式邏輯分析儀的仿真測(cè)試結(jié)果。將設(shè)計(jì)的DDS IP核封裝成為SOPC Builder自定義的組件，結(jié)合32位嵌入式CPU軟核NiosII，構(gòu)成可編程片上系統(tǒng)(SOPC)，利用極少的硬件資源實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)信號(hào)源。該系統(tǒng)基本功能都在FPGA芯片內(nèi)完成，利用SOPC技術(shù)，在一片FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了整個(gè)信號(hào)源的硬件開發(fā)平臺(tái)，達(dá)到既簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、又提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的目的。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；Nios II；可編程片上系統(tǒng)

SOPC(System on a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O接口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程邏輯器件上，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。它具有靈活的設(shè)計(jì)方式，軟硬件可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。SOPC的核心器件FPGA已經(jīng)發(fā)展成一種實(shí)用技術(shù)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者把開發(fā)新產(chǎn)品的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)降到最小。最重要的是，具有現(xiàn)場(chǎng)可編程性的FPGA延長(zhǎng)了產(chǎn)品在市場(chǎng)的存在時(shí)間，從而減小了被新一代同類產(chǎn)品淘汰的威脅。本文以全數(shù)字頻率合成技術(shù)——直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)為理論依據(jù)，利用先進(jìn)的片上可編程技術(shù)在一塊FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了DDS IP核功能，并將該DDS IP核與Nios II處理器核以及其它外設(shè)封裝到一起，做成一個(gè)片上系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)難度。

1 DDS的基本原理
DDS(直接數(shù)字頻率合成)是把一系列數(shù)字形式的信號(hào)通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)的合成技術(shù)。圖1是DDS的原理框圖。

圖中參考時(shí)鐘由一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，來(lái)同步整個(gè)頻率合成器的各個(gè)組成部分。相位累加器包含一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字與相位寄存器中的數(shù)據(jù)相加。相位寄存器可以將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加。當(dāng)相位累加器達(dá)到上限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是合成信號(hào)的一個(gè)周期，累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號(hào)頻率。相位控制字用來(lái)設(shè)定相位累加器初始時(shí)刻的相位值，相位累加器運(yùn)行過程中并不參與加法運(yùn)算。
在參考時(shí)鐘的控制下，相位累加器受頻率控制字控制輸出相位數(shù)據(jù)，用相位累加器輸出的相位數(shù)據(jù)作為相位／振幅變轉(zhuǎn)換電路的地址對(duì)其進(jìn)行查找。相位／振幅轉(zhuǎn)換電路將相位累加器的相位信息映射成數(shù)字振幅信息，將數(shù)字振幅數(shù)據(jù)再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出波形。

2 DDS IP核的設(shè)計(jì)
根據(jù)DDS的基本理論，將DDS IP核分為相位累加模塊、DDS控制模塊、波形選擇模塊、波形LPM_ROM模塊。
2．1 相位累加器模塊的設(shè)計(jì)
相位累加器是DDS IP核設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它決定著頻率的范圍和分辨率，本設(shè)計(jì)采用的32位的二進(jìn)制累加器，取累加器的高十位作為查表(相幅轉(zhuǎn)換電路)的地址值。為提高系統(tǒng)的速率，在累加器的設(shè)計(jì)中采用了7級(jí)流水線技術(shù)。其中采用Verilog HDL描述的第一級(jí)流水線實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

類似，可完成其余流水線的設(shè)計(jì)。
2．2 DDS控制模塊設(shè)計(jì)
為將設(shè)計(jì)的DDS IP能夠集成到SOPC系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)在DDS IP的控制模塊定義了兩個(gè)32位的寄存器，如圖2所示。一個(gè)是頻率控制字寄存器，用來(lái)保存上位機(jī)軟件發(fā)來(lái)的頻率控制字；另一個(gè)寄存器用來(lái)保存相位控制字和波形選擇位，其中低2位D1、D0用于波形選擇，D2到D11用于保存相位控制字，其余高位保留未用。

2．3 波形存儲(chǔ)器ROM的設(shè)計(jì)
該模塊完成相位／振幅轉(zhuǎn)換電路的功能。在本設(shè)計(jì)中，要求DDS IP能輸出正弦波、方波，三角波、鋸齒波。可以用FPGA內(nèi)部的LPM_ROM模塊制作4張ROM表，分別存儲(chǔ)4個(gè)波形的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，由于方波和三角波是實(shí)現(xiàn)算法相對(duì)簡(jiǎn)單，為了節(jié)省資源，本系統(tǒng)直接用Verilog HDL描述其功能。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生方波信號(hào)的關(guān)鍵代碼如下：

正弦波、鋸齒波的產(chǎn)生是利用FPGA的LPM_ROM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了對(duì)ROM模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，首先應(yīng)建立相應(yīng)的*．mif(Memory Initial File)文件。它可以用C語(yǔ)言編寫源程序，得到對(duì)應(yīng)波形的數(shù)據(jù)，生成*．mif文件，如生成正弦波形數(shù)據(jù)的C語(yǔ)言程序如下：

然后在Quartus II里新建．mif文件，把用命令字符生成的．mif文件的內(nèi)容粘貼到Quartus II里新建的存儲(chǔ)器初值設(shè)定(．mif)文件里面，如圖3所示。再用Quartus II軟件定制LPM_ROM，并加載剛才建立的．mif波形文件初始化ROM。

2．4 波形選擇模塊的設(shè)計(jì)
該模塊根據(jù)DDS控制模塊的輸出控制信號(hào)決定選擇哪一種波形輸出，關(guān)鍵代碼如下。



2．5 DDS頂層設(shè)計(jì)
頂層設(shè)計(jì)將前面實(shí)現(xiàn)的各功能模塊作為底層元件例化調(diào)用，完成整個(gè)DDS IP核設(shè)計(jì)。對(duì)DDS IP核進(jìn)行驗(yàn)證后，利用SOPC Builder的組件編輯器對(duì)其進(jìn)行自定義組件的開發(fā)，為后續(xù)SOPC硬件系統(tǒng)的搭建奠定基礎(chǔ)。
2．6 DDS IP的仿真測(cè)試及自定義組件的生成
Altera公司的Quartus II軟件具有嵌入式邏輯分析儀SignalTap II，它提供了一種對(duì)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試的手段。SignalTapII嵌入式邏輯分析儀可以隨設(shè)計(jì)文件一起下載到目標(biāo)芯片中，用以捕捉目標(biāo)芯片中設(shè)計(jì)者感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)處的信息，而不影響芯片的正常工作。
SignalTapII將測(cè)得的樣本信號(hào)暫存于目標(biāo)器件的片內(nèi)RAM中，然后通過器件的JTAG端口和編程線將采得的信息傳出，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。圖4是采用SignalTapII嵌入式邏輯分析儀的仿真測(cè)試結(jié)果。

由于SOPC的開發(fā)是以組件(IP核)為基礎(chǔ)的，為了將前面設(shè)計(jì)的DDS IP核掛到Avalon總線上，將其封裝成為SOPCBuilder自定義的組件，如圖5所示。這樣，在SOPC硬件系統(tǒng)開發(fā)中，DDS IP就如同SOPC Builder里的標(biāo)準(zhǔn)組件一樣，可以被集成到具體的應(yīng)用系統(tǒng)中。
2．7 SOPC硬件系統(tǒng)配置
在SOPC硬件系統(tǒng)的開發(fā)中，除了集成前面設(shè)計(jì)的DDSIP外，還集成了諸多SOPC Builder組件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)組件，主要有Nios II CPU、UAR T、JTAG UART、定時(shí)器、Avalon三態(tài)總線橋、片上存儲(chǔ)器、片外存儲(chǔ)器、PIO、SDRAM控制器、FLASH控制器等，如圖6所示。

3 結(jié)論
論文以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)為理論依據(jù)，開發(fā)了DDSIP核，搭建了基于SOPC技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器硬件系統(tǒng)，通過改變LPM_ROM模塊中的波形數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)任意波形信號(hào)的產(chǎn)生。系統(tǒng)除了數(shù)／模轉(zhuǎn)換部分外，其它部分都是在FPGA內(nèi)部完成，具有實(shí)現(xiàn)容易、方便，減小了PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，系統(tǒng)還具有很大的伸縮性，系統(tǒng)集成度高，屬于SOC的范疇，符合技術(shù)發(fā)展潮流。