基于FPGA的數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)外圍芯片的控制設(shè)計(jì)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器作為測(cè)試技術(shù)的重要工具，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并逐步取代傳統(tǒng)模擬示波器。其采樣數(shù)據(jù)是波形運(yùn)算和分析的基礎(chǔ)，直接影響到整個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的準(zhǔn)確性。從這點(diǎn)出來(lái)，提出采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件( FPGA) 作為數(shù)字存儲(chǔ)示波器采樣控制系統(tǒng)的核心，從芯片間有效協(xié)助的角度，基于FPGA 設(shè)計(jì)ARM 接口通信控制模塊和外圍芯片驅(qū)動(dòng)功能模塊，以FPGA 為核心有效地組織其它芯片，共同完成數(shù)字存儲(chǔ)示波器數(shù)據(jù)采樣過(guò)程，確保數(shù)據(jù)按需求采樣，有效地提高數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣效率和數(shù)據(jù)的可靠性。

1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)字存儲(chǔ)示波采用雙處理器( ARM + FPGA) 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，ARM 內(nèi)嵌WINCE 操作系統(tǒng)，整個(gè)采樣系統(tǒng)主要在FPGA 里完成，從功能的角度分成采樣信息處理子系統(tǒng)與采樣控制子系統(tǒng)，本文著重介紹采樣控制子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，由ARM 接口控制模塊與芯片驅(qū)動(dòng)模塊組成。如圖1 所示:

圖1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器總體功能模塊圖

2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2. 1 ARM 接口通信控制模塊設(shè)計(jì)

ARM 接口通信控制模塊為主要的控制模塊，如圖2 所示。

圖2 ARM 接口通信控制部分功能模塊圖

加入這個(gè)模塊而不直接鏈接兩個(gè)芯片有以下兩點(diǎn)原因:

1) ARM 作為主控芯片的控制模塊，引腳數(shù)量有限。如果ARM 接口直接與FPGA 接口相連，會(huì)占用ARM 過(guò)多的接口。

2) ARM 和FPGA 相連的信號(hào)線(xiàn)由于存在各種干擾，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，影響測(cè)量效果。

所以為了測(cè)量的穩(wěn)定準(zhǔn)確，需要加入FPGA 和ARM 的接口模塊。此模塊是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。其原理以下結(jié)合圖2 來(lái)說(shuō)明。

ARM 接口通信控制模塊左邊為跟ARM 鏈接的接口，分別為1 路時(shí)鐘cmd_clk，3 路的命令線(xiàn)cmd_sel[2. . 0]，8 路數(shù)據(jù)線(xiàn)cmd_data[7. . 0]。右邊為FPGA 響應(yīng)的相關(guān)接口，在此不作一一講述，下面主要講術(shù)FPGA 與ARM 之間的通信協(xié)議。

cmd_clk 為1 位輸出接口，是ARM 與FPGA 的同步時(shí)鐘，用作同步通信。

cmd_sel[2. . 0]為3 位輸出接口，用作設(shè)置cmd_data[7. . 0]的模式選擇。

cmd_data[7. . 0]為8 位輸出接口，是ARM 發(fā)送到FPGA 的命令或數(shù)據(jù)。

功能實(shí)現(xiàn)方面采用了VHDL 語(yǔ)言，以文本輸入作為設(shè)計(jì)輸入，主要運(yùn)用CASE 與PROCESS 語(yǔ)句，部分程序如下所示。

PROCESS( cmd_clk， cmd_sel) / /進(jìn)程，對(duì)cmd_clk 與cmd_sel 進(jìn)行變化捕捉。

BEGIN / /進(jìn)程開(kāi)始。

IF cmd_clk'EVENT AND cmd_clk = '1' THEN / /捕捉時(shí)鐘信號(hào)上升沿觸發(fā)。

IF cmd_sel( 2) = '1' THEN / / cmd_sel( 2) = '1'時(shí)， cmd_data[7. . 0]的輸出為數(shù)據(jù)模式

r_add_add = cmd_data; / /數(shù)據(jù)賦值

ELSE / / cmd_sel( 2) = '0'時(shí)， cmd_data[7. . 0]的輸出為命令模式

CASE r_add_add IS / /命令查詢(xún)

WHEN X00 = > IF cmd_sel = 000 THEN r_DAT_DATA_A( 7 DOWNTO 0) = cmd_data; - -

ELSIF cmd_sel = 001 THEN r_DAT_DATA_A( 11 DOWNTO 8) = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ;

END IF;

WHEN X01 = > IF cmd_sel = 000 THEN r_DAT_DATA_B( 7 DOWNTO 0) = cmd_data;

ELSIF cmd_sel = 001 THEN r_DAT_DATA_B( 11 DOWNTO 8) = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;

WHEN X02 = > IF cmd_sel = 000 THEN r_DAT_DATA_C( 7 DOWNTO 0) = cmd_data;

ELSIF cmd_sel = 001 THEN r_DAT_DATA_C( 11 DOWNTO 8) = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;

WHEN X03 = > IF cmd_sel = 000 THEN r_DAT_DATA_D( 7 DOWNTO 0) = cmd_data;

ELSIF cmd_sel = 001 THEN r_DAT_DATA_D( 11 DOWNTO 8) = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;

……/ /省略

WHEN X08 = > IF cmd_sel = 000 THEN r_HC74_DAT_DATA( 7 DOWNTO 0) = cmd_data; - -

ELSIF cmd_sel = 001 THEN r_HC74_DAT_DATA( 15 DOWNTO 8) = cmd_data; - -

ELSIF cmd_sel = 010 THEN r_HC74_DAT_DATA( 23 DOWNTO 16) = cmd_data; END IF;

/ / cmd_sel[2. . 0]的后兩位作為數(shù)據(jù)位數(shù)的選擇，這里可選為8 位、16 位、24 位。

……/ /省略

WHEN OTHERS = > r_X9313_DATA = cmd_data( 4 DOWNTO 0) ;

END CASE;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

本程序是一個(gè)進(jìn)程，當(dāng)cmd_sel( 2) = '1'時(shí)，cmd_data[7. . 0]作為數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)cmd_sel( 2) = '0'時(shí)，cmd_data[7. . 0]作為命令選擇傳輸。cmd_sel( 1) 與cmd_sel( 0) ，作為發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)選擇，這是由于不同的指令操作，需要不同的數(shù)據(jù)位數(shù)，在這段程序中，有需要發(fā)送8 位數(shù)據(jù)的，有需要發(fā)送12 位的數(shù)據(jù)，有需要發(fā)送16 位的數(shù)據(jù)，還有需要發(fā)送24 位的數(shù)據(jù)，這取決于驅(qū)動(dòng)的芯片所固定的數(shù)據(jù)位輸入格式要求。

2. 2 芯片驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

芯片驅(qū)動(dòng)模塊的例化組件圖，如圖3 所示。

圖3 芯片驅(qū)動(dòng)模塊例化組件

圖3 是已經(jīng)封裝好的功能模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 LTC2620 的接口例化組件圖

由此可知，該模塊內(nèi)部還可以有子模塊。分別為控制外圍三個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)，它們是芯片LTC2620、芯片X9313、芯片HC574。這些子模塊只是一個(gè)接口，并非是一個(gè)真正的芯片，可以說(shuō)是一個(gè)接口函數(shù)以圖形化的方式來(lái)給調(diào)用，讓程序結(jié)構(gòu)更佳形象具體，其實(shí)它們都是通過(guò)VHDL 語(yǔ)言編程程序代碼而成的。圖4 的左邊是輸入接口，主要是與ARM 接口通信控制模塊( 圖2) 的接口連接，而右邊的是輸出接口，當(dāng)然這些輸出接口是FPGA 的I /O 引腳，這才能與真實(shí)的芯片相應(yīng)應(yīng)的引腳連接。

下面以芯片LTC2620 為例，說(shuō)明其驅(qū)動(dòng)過(guò)程。圖4 右上角是LTC2620 的接口例化組件，是由VHDL語(yǔ)言生成的，首先是VHDL 的實(shí)體部分，主要是定義端口及其屬性。

ENTITY LTC2620_comtrol IS

PORT(

clk5m : IN STD_LOGIC;

clr_n : IN STD_LOGIC;

DAT_DATA_A : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_B : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_C : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_D : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_E : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_F : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_G : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

DAT_DATA_H : IN STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

n_CS_LD : OUT STD_LOGIC;

SCK : OUT STD_LOGIC;

SDI : OUT STD_LOGIC) ;

END;

其中n_CS_LD、SCK、SDI 為輸出端口，是根據(jù)芯片LTC2620 的輸入引腳而設(shè)定的。芯片LTC2620 引腳圖如圖5 所示。

圖5 LTC2620 引腳圖

接口與引腳已經(jīng)連接好，但還需要仿真這三個(gè)引腳的工作時(shí)序。這就需要根據(jù)芯片LTC2620 手冊(cè)說(shuō)明來(lái)來(lái)模擬其時(shí)序以及其數(shù)據(jù)輸入格式，為4 位命令+ 4 位地址+ 12 位數(shù)據(jù)流，共20 位數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)一般以8 位為單位，即一個(gè)字節(jié)，所以需要發(fā)送24 位數(shù)據(jù)，其中16 位數(shù)據(jù)流的前4 位都需要作置零處理。LTC2620 時(shí)序圖如圖6 所示。

圖6 LTC2620 輸入引腳時(shí)序圖

數(shù)據(jù)輸入格式如圖7 所示。

圖7 輸入引腳數(shù)據(jù)格式圖

接著，使用VHDL 在其結(jié)構(gòu)體部分編寫(xiě)LTC2620 時(shí)序，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)程來(lái)完成，分別是PROCESS( clk5m，clr_n) 進(jìn)程和PROCESS( load_clk，clr_n，DAT_DATA_A) 進(jìn)程。

首先定義數(shù)據(jù)格式，分成三部分，COMMAND( C3 - C0) 、ADDRESS ( A3 - A0) 和DATA ( D11 -D0) ，一共為20 位，要分三個(gè)字節(jié)發(fā)送，即24 位。數(shù)據(jù)格式定義的VHDL 代碼:

CONSTANT CNT_COMMAMD_DATA : STD_LOGIC_VECTOR( 3 DOWNTO 0) : = 0011 ;

/ /COMMAND( C3 - C0)

SIGNAL ADDRESS_DATA : STD_LOGIC_VECTOR( 3 DOWNTO 0) ;

/ / ADDRESS( A3 - A0)

SIGNAL DAT_DATA: STD_LOGIC_VECTOR( 11 DOWNTO 0) ;

/ / DATA( D11 - D0)

根據(jù)圖6，對(duì)時(shí)序SCK、SDI、CS /LD 進(jìn)行定義:

SIGNAL r_n_CS_LD，r_SCK，r_SDI : STD_LOGIC;

內(nèi)部時(shí)鐘定義:

SIGNAL r_load， load_clk， load_en : STD_LOGIC;

再設(shè)定三個(gè)進(jìn)程來(lái)模擬圖7 的SCK、SDI、CS /LD 三個(gè)時(shí)序圖。

1) 進(jìn)程1 主要是通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘生成SCK 時(shí)序

代碼為:

PROCESS( clk5m， clr_n)

VARIABLE tp : INTEGER RANGE 0 TO 25;

BEGIN

IF clr_n = '0' THEN

tp: = 0; load_clk = '0';

ELSIF clk5m'EVENT AND clk5m = '1' THEN

IF tp 25 THEN

tp: = tp + 1; load_clk = '1';

ELSE

tp: = 0; load_clk = '0';

END IF;

END IF;

END PROCESS;

2) 進(jìn)程2 主要是設(shè)置LTC2620 的8 個(gè)輸出引腳VoutA - VoutH 與ADDRESS ( A3 - A0) 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，ADDRESS，如表1 所示。

使用CASE 語(yǔ)句完成，代碼如下:

CASE state IS

WHEN 1 = > DAT_DATA = DAT_DATA_B; ADDRESS_DATA = 0001 ;

WHEN 2 = > DAT_DATA = DAT_DATA_C; ADDRESS_DATA = 0010 ;

WHEN 3 = > DAT_DATA = DAT_DATA_D; ADDRESS_DATA = 0011 ; WHEN 4 = > DAT_DATA

= DAT_DATA_E; ADDRESS_DATA = 0100 ; WHEN 5 = > DAT_DATA = DAT_DATA_F; ADDRESS_DATA

= 0101 ; WHEN 6 = > DAT_DATA = DAT_DATA_G; ADDRESS_DATA = 0110 ; WHEN 7 = > DAT_DATA

= DAT_DATA_H; ADDRESS_DATA = 0111 ; WHEN OTHERS = > DAT_DATA = DAT_DATA_B; ADDRESS_

DATA = 0001 ; load_en = '0';

END CASE;

3) 進(jìn)程3 主要是設(shè)置DATA ( D11 - D0) 的數(shù)據(jù)輸出，每次需發(fā)送24 位數(shù)據(jù)，其中4 位無(wú)用上，給置0 處理，代碼如下:

IF r_load = '0' THEN

data( 23 DOWNTO 20) : = CNT_COMMAMD_DATA;

data( 19 DOWNTO 16) : = ADDRESS_DATA;

data( 15 DOWNTO 4 ) : = DAT_DATA;

data( 3 downto 0) : = 0000 ;

……/ /省略;

end IF;

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了使用VHDL 硬件描述語(yǔ)言，程序編寫(xiě)過(guò)程，對(duì)兩個(gè)功能模塊進(jìn)行基于FPGA 的嵌入式系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)。實(shí)現(xiàn)了ARM 接口通信控制模塊、芯片驅(qū)動(dòng)模塊的程序設(shè)計(jì)，有效地解決了芯片間之間的通信與驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，以FPGA 為核心，有效地實(shí)現(xiàn)芯片間的相互協(xié)作，為數(shù)字存儲(chǔ)示波器數(shù)據(jù)采樣提供重要的可靠性。