基于FPGA的多路正弦波信號發(fā)生器專用芯片設計
本設計采用OR1200處理器作為主控制器，通過Wishbone總線將3個DDS模塊、UART控制器模塊、片內(nèi)RAM模塊連接到系統(tǒng)中，構建出一個硬件平臺；然后對OR1200進行軟件編程，使UART控制器接收專用芯片外部異步串口傳送的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進行處理后傳送到DDS模塊相應寄存器，從而產(chǎn)生特定頻率相位的正弦波信號；最后將程序固化到片內(nèi)RAM中，在FPGA上實現(xiàn)多路正弦波信號發(fā)生器專用芯片的設計。
1 理論分析
直接數(shù)字頻率合成技術是20世紀60年代末出現(xiàn)的第三代頻率合成技術。該技術從相位概念出發(fā)，以Nyquist時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS頻率轉換速度快、頻率分辨率高，并在頻率轉換時可保持相位的連續(xù)，因而易于實現(xiàn)多種調(diào)制功能。DDS是全數(shù)字化技術，其幅度、相位、頻率均可實現(xiàn)程控，并可通過更換波形數(shù)據(jù)靈活實現(xiàn)任意波形。本設計實現(xiàn)頻率相位可控的正弦波輸出。所用DDS IP軟核原理框圖如圖1所示(未給出時鐘和復位信號)。
圖1中，ftw_i為頻率控制字，phase_i為相位控制字，ampl_o為正弦波信號幅度輸出，phase_o為正弦波信號相位輸出。本設計中頻率控制字的位寬為32位，選用的ROM波形數(shù)據(jù)為10×10結構，因此相位控制字的位寬為10位，正弦波幅度輸出位寬也為10位。
圖1中第1個加法器和第1個單位延時電路構成相位累加器。它在時鐘的控制下以步長ftw_i做累加，輸出的N位二進制碼與M位相位控制字phase_i相加作為波形ROM的地址。由于在ROM中存取的是1/4周期的正弦波形數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)正弦波不同的象限，由相位控制字的2個最高有效位(MSB)來控制是否對波形ROM地址進行移位或者對幅度輸出進行反相，最終輸出10位的正弦波數(shù)字信號。
頻率相位值從UART串口輸入，OR1200處理器根據(jù)式(1)和式(2)對數(shù)據(jù)進行處理得出頻率相位控制字，賦給相應DDS模塊的頻率相位寄存器，從而輸出特定頻率相位的正弦波信號[1]。
2 專用芯片硬件設計
2.1 專用芯片總體結構設計
正弦波信號發(fā)生器專用芯片的結構框圖如圖2所示。Wishbone總線是整個硬件平臺的系統(tǒng)總線，OR1200處理器的數(shù)據(jù)BIU(Bus Interface Unit)和指令BIU作為Wishbone總線的主設備，UART控制器、3個DDS模塊以及FPGA片上RAM作為Wishbone總線的從設備，它們通過Wishbone總線連接到系統(tǒng)中。OR1200是整個硬件平臺的主控制器，控制該專用芯片配置數(shù)據(jù)的讀入與轉換。UART控制器模塊主要實現(xiàn)該專用芯片與外部異步串口的通信，負責讀入配置數(shù)據(jù)。3個DDS模塊是產(chǎn)生正弦波信號的核心模塊，根據(jù)頻率控制字和相位控制字產(chǎn)生特定頻率相位的正弦波信號。FPGA片上RAM作為該專用芯片的片內(nèi)RAM，系統(tǒng)軟件要固化在RAM中。OR1200處理器、Wishbone總線、UART控制器模塊及片內(nèi)RAM模塊的時鐘直接連到外部時鐘源上，3個DDS模塊的時鐘由外部時鐘源通過PLL倍頻得到。本專用芯片為低電平復位。
2.2 OR1200處理器
OpenRISC1200處理器(簡稱OR1200)是Opencores組織發(fā)布維護的基于GPL并屬于OpenRISC1000序列的一款RISC處理器。OR1200是32位RISC，它具有哈佛結構、5級整數(shù)流水線，支持虛擬內(nèi)存(MMU)，帶有基本的DSP功能，并且外部數(shù)據(jù)和地址總線接口符合Wishbone標準[2]。
OR1200通用框架由CPU/DSP核心、直接映射的數(shù)據(jù)Cache、直接映射的指令Cache、基于DTLB的Hash表的數(shù)據(jù)MMU和指令MMU、電源管理單元及接口、Tick定時器，調(diào)試單元及開發(fā)接口、中斷控制器和中斷接口、指令及數(shù)據(jù)Wishbone主機接口[3]組成。
2.3 片內(nèi)RAM設計
片內(nèi)RAM由Altera公司的EDA工具QuartusII中MegaWizard Plug-In Manager…生成。它為單端口RAM，數(shù)據(jù)總線32位，大小為8 KB。編寫的固化軟件程序編譯鏈接后轉換為hex格式，在RAM初始化時固化到其中。由QuartusII生成的片內(nèi)RAM模塊不具有Wishbone接口，本設計為其添加了1個Wishbone總線接口。
2.4 DDS模塊
DDS模塊也是Opencores上的開源IP軟核，沒有標準的Wishbone接口模塊，本設計為DDS模塊添加了1個Wishbone總線接口。該DDS模塊主要有兩類配置數(shù)據(jù)：頻率控制字和相位控制字。給DDS模塊加入2個硬件寄存器DDS_FTW和DDS_PHASE，利用這2個寄存器來控制連接到Wishbone總線接口上的輸出數(shù)據(jù)是頻率控制字還是相位控制字。
2.5 UART控制器模塊
UART控制器模塊是Opencores上符合工業(yè)標準16550A的開源IP核。該IP核的設計采用Wishbone總線接口規(guī)范，支持可選擇的32位數(shù)據(jù)模式和8位數(shù)據(jù)模式；使用FIFO操作實現(xiàn)，寄存器及所實現(xiàn)的具體功能符合NS16550A標準[4]。在本設計中，UART控制器的波特率默認值為9 600 b/s，UART控制器模塊用于與專用芯片外部UART串口通信，通過URXD引腳接收外部串口數(shù)據(jù)，通過UTXD向外部串口發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.6 Wishbone總線主從設備分配
Wishbone總線仲裁采用Opencores上開源軟核wb_conmax，為8×16結構，即在該Wishbone總線模塊中可以使用8個主設備和16個從設備[5]。本系統(tǒng)中，OR1200的指令和數(shù)據(jù)單元為Wishbone總線的主設備；片內(nèi)RAM模塊、URAT控制器模塊以及3個DDS模塊為Wishbone總線的從設備。
根據(jù)各子模塊在Wishbone總線上的位置和wb_conmax的邏輯實現(xiàn)，相應從設備的地址分配如下：
片內(nèi)RAM ： 0x00000000
DDS1 ： 0x10000000
DDS2 ： 0x20000000
DDS3 ： 0x30000000
UART ： 0x90000000
2.7 頂層模塊設計
本系統(tǒng)頂層模塊例化各子模塊，采用Wishbone總線接口技術將各個子模塊集成在一起，為每個子模塊分配時鐘和復位信號，實現(xiàn)硬件平臺的總體設計。設計中所用FPGA開發(fā)板的時鐘為50 MHz，OR1200處理器時鐘為25 MHz，Wishbone總線時鐘為25 MHz，3個DDS模塊時鐘為100 MHz。其他模塊的時鐘都為25 MHz，設計中所用時鐘都是通過FPGA芯片中的PLL分頻及倍頻實現(xiàn)的。正弦波專用芯片的時鐘設為各模塊時鐘的最小值(25 MHz)，3個DDS模塊的100 MHz時鐘通過PLL倍頻實現(xiàn)。各模塊的復位信號由頂層模塊統(tǒng)一分配。
3 專用芯片固化程序設計
正弦波信號發(fā)生器專用芯片的固化程序主要包括UART控制器初始化程序和串口數(shù)據(jù)處理程序兩部分：UART控制器初始化程序初始化UART控制器中的各個寄存器，使該控制器能夠正常工作。串口數(shù)據(jù)處理程序采用查詢方式接收串口數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)賦給相應寄存器變量，根據(jù)式(1)和式(2)進行計算，得到3路DDS模塊的頻率控制字和相位控制字，其固化程序流程圖如圖3所示。固化程序首先初始化OR1200處理器的各個寄存器，然后對UART控制器進行初始化，最后循環(huán)處理串口數(shù)據(jù)。
3.1 UART控制器初始化程序
UART控制器中的寄存器都是8位或16位，通過對UART控制器的寄存器賦值來初始化UART控制器。上電復位后UART控制器的初始化工作包括：
(1)清空接收和發(fā)送FIFO。
(2)清零接收和發(fā)送移位寄存器。
(3)關閉中斷。
(4)設置Line控制寄存器為8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗的通信模式。
(5)讀取Line控制寄存器的值，將其最高位置1，允許Divisor鎖存器存??；通過設置Divisor鎖存器的值設置波特率為9 600 b/s；將LCR賦回原值。
3.2 串口數(shù)據(jù)處理程序
正弦波信號發(fā)生器專用芯片從外部串口接收到的數(shù)據(jù)分為3類：相位、頻率選擇信號，相位或頻率值，3路正弦波選擇信號。固化程序定義了1個32位的數(shù)據(jù)寄存器變量和1個8位狀態(tài)寄存器變量。串口數(shù)據(jù)處理程序采用查詢方式接收串口數(shù)據(jù)，接收到的前4個數(shù)據(jù)進行相應轉換后賦給數(shù)據(jù)寄存器變量，第5個數(shù)據(jù)放入狀態(tài)寄存器變量中，作為相位信號、頻率選擇信號和3路正弦波選擇信號。若為相位信號，則將數(shù)據(jù)寄存器變量中的數(shù)據(jù)與0x3ff相“與”，然后根據(jù)式(2)得到相位控制字；若為頻率信號，則根據(jù)式(1)得到頻率控制字。最后根據(jù)這個信號將數(shù)據(jù)寄存器變量中的值送入相應的DDS模塊硬件寄存器中(DDS_FTW和DDS_PHASE)。
在FPGA上實現(xiàn)了一個多路正弦波信號發(fā)生器專用芯片的設計。本設計在友晶公司的DE2-70開發(fā)板上進行了驗證，使用開發(fā)板上3路10位視頻數(shù)字信號轉模擬信號的控制芯片ADV7123作為D/A轉換芯片，最后得到3路頻率相位可調(diào)的正弦波信號。該正弦波信號發(fā)生器專用芯片通過串口控制，而未來的設計中可以擴展數(shù)字按鍵控制或者觸摸屏控制，不使用外部主控MCU也可以產(chǎn)生特定頻率相位的正弦波信號。
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