一種高速化和集成化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　由圖4可見，系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成。它們分別是A／D接口adc.v模塊、USB接口usb.v模塊以及頂層top.v模塊，其中在頂層top.v模塊中，完成了對其他兩個(gè)模塊的調(diào)用，使它們拼接成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。其中鎖相環(huán)PLL_1和PLL_2分別給ade.v模塊和usb.v模塊提供時(shí)鐘源。

　　2.1 FPGA控制A／D芯片接口的軟件設(shè)計(jì)

　　在adc.v模塊中，需要完成FPGA對TLV1572的接口邏輯代碼的設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)就是在TLV1572的時(shí)序分析的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)邏輯代碼，使得FPGA能夠按照其時(shí)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(shí)鐘信號(hào)信號(hào)ADC_CLK、CS片選信號(hào)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(shí)序圖如圖5所示。

圖5 TLV1572的時(shí)序圖

　　從時(shí)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(jìn)制數(shù)字均為“0”，此時(shí)A／D芯片正處于采樣階段，數(shù)字無效，這六位無效的二進(jìn)制數(shù)之后，A／D轉(zhuǎn)換完成后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被送到總線上，這時(shí)，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(jì)

　　在usb.v模塊中，需要完成FPGA對CY7C68013A的接口邏輯代碼的設(shè)計(jì)和異步FIFO模塊的設(shè)計(jì)。其中，對CY7C68013A的接口邏輯代碼主要是完成對CY7C68013A芯片的端點(diǎn)FIFO的各種控制，包括16位的數(shù)據(jù)信號(hào)FIFO_DATA[15：0]、2位端點(diǎn)FIFO選擇信號(hào)FIFO_ADDR[1：0]、端點(diǎn)FI-FO滿標(biāo)志位信號(hào)FIFO_Full、端點(diǎn)FIFO寫使能信號(hào)FIFO_WR_en。因?yàn)閍dc.v模塊和芯片外部的CY7C68013A工作在不同的時(shí)鐘域內(nèi)，故異步FIFO模塊設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)需要不斷向CY7C68013A的端點(diǎn)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(shí)鐘信號(hào)進(jìn)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(jì)中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)來完成同步Slave FIFO寫的時(shí)序，寫時(shí)序如下；1）IDLE：當(dāng)寫事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)狀態(tài)1；2）狀態(tài)1：使FIFOADR[1：0]指向IN FIFO，進(jìn)狀態(tài)2；3）狀態(tài)2：如果端點(diǎn)FIFO滿，在當(dāng)前狀態(tài)等待，否則進(jìn)狀態(tài)3；4）狀態(tài)3：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個(gè)IFCLK周期，進(jìn)狀態(tài)4；5）狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進(jìn)狀態(tài)2，否則進(jìn)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(jì)

　　由圖4可知，top.v模塊是FPGA整個(gè)系統(tǒng)的頂層模塊，它通過頂層調(diào)用的方式把a(bǔ)dc.v和usb.v兩個(gè)模塊組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界進(jìn)行通信是通過top.v這個(gè)模塊對外的各個(gè)接口來實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)的交換、控制信息以及時(shí)鐘信號(hào)的傳遞。這種自頂向下的設(shè)計(jì)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(jì)工作，使人們從繁瑣的自底向上的底層設(shè)計(jì)中解放出來，以一種系統(tǒng)級(jí)的思維模式設(shè)計(jì)電路。這是自頂向下設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(jī)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(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

　　CY7C68013A內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，它與8051指令集二進(jìn)制是兼容的，那么就可以選擇匯編或者高級(jí)語言C51來編寫固件代碼，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的環(huán)境也不同。本設(shè)計(jì)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(jìn)行USB外設(shè)的開發(fā)過程，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的固件程序的框架。這個(gè)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(gè)USB描述符表，添加其他端點(diǎn)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(gè)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(gè)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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)的VBDL、Verilog HDL或是兩種語言混合的程序進(jìn)行仿真，同時(shí)也支持IEEE常見的各種硬件描述語言標(biāo)準(zhǔn)。