FPGA的高速多通道數(shù)據(jù)采集控制器IP核設(shè)計(jì)

摘要 介紹基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的多通道高速數(shù)據(jù)采集模塊控制器的IP核設(shè)計(jì)。采用TI公司的6通道同步采集A／D轉(zhuǎn)換器件(ADS8364)，針對(duì)該器件使用硬件描述語言設(shè)計(jì)IP核，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)設(shè)計(jì)了IP核與嵌入式系統(tǒng)的接口。在Xilinx公司的ISE開發(fā)工具中，利用FPGA器件中的硬 FIFO控制器輔助設(shè)計(jì)IP核，利用嵌入式開發(fā)工具EDK建立FPGA嵌入式系統(tǒng)，并添加和修改了用戶自定義IP核，通過仿真驗(yàn)證了該方法的實(shí)效性。
關(guān)鍵詞 FPGA 數(shù)據(jù)采集 ADS8364 IP核 FIFO

    隨著可編程邏輯器件的不斷進(jìn)步和發(fā)展，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文介紹的在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中信號(hào)采集模塊控制器的IP核，是采用硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)的。首先它是以ADS8364芯片為控制對(duì)象，結(jié)合實(shí)際電路，將6通道同步采樣的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO控制器。當(dāng)FIFO控制器存儲(chǔ)一個(gè)周期的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，由PowerPC對(duì)其進(jìn)行高速讀取。這樣能夠減輕CPU的負(fù)擔(dān)，不需要頻繁地對(duì)6通道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，節(jié)省了CPU運(yùn)算資源。

1 ADS8364芯片的原理與具體應(yīng)用
    A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364是TI公司推出的專為高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速度、低功耗、6通道(三相電壓、三相電流)同步采樣的16位A／D轉(zhuǎn)換芯片。采用模擬和數(shù)字分別供電，在模擬輸入端，有模擬參考電壓輸入、輸出引腳和信號(hào)六通道正反相輸入引腳；在數(shù)字端，主要包括控制ADS8364的讀／寫、復(fù)位、片選引腳和轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出總線。
    ADS8364芯片的轉(zhuǎn)換過程為：當(dāng)ADS8364的HOLDX保持至少20 ns的低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入輸出寄存器后，引腳EOC的輸出將保持半個(gè)時(shí)鐘周期的低電平，以提示數(shù)據(jù)分析處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)果的接收，處理器通過置RD和CS為低電平可使數(shù)據(jù)通過并行輸出總線讀出。在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接收過程中，ADS8364芯片各引腳工作的時(shí)序達(dá)到協(xié)調(diào)一致，才能保證監(jiān)測設(shè)備良好工作，具體時(shí)序安排如圖1所示。

    ADS8364芯片的數(shù)據(jù)輸出方式分別由BYTE、ADD與地址線A2、A1、A0組合控制，轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取方式由電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)分析處理器決定，一般可取直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式的任何一種。根據(jù)BYTE為0或者為1可確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，根據(jù)ADD為0或者為1可確定第一次讀取的是通道地址信息還是通道A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，我們結(jié)合了ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的6個(gè)16位ADC可以成對(duì)同步工作的能力，3 個(gè)保持信號(hào)(HOLDA、HOLDB、HOLDC)可以同時(shí)被選通，其轉(zhuǎn)換結(jié)果將保存在6個(gè)寄存器中。對(duì)于每一個(gè)讀操作，ADS8364均輸出16位數(shù)據(jù)，最高位為符號(hào)位。根據(jù)圖2所示的ADS8364循環(huán)讀取方式工作時(shí)序，需設(shè)置BYTE為0，A2、A1、A0分別為1、1、0。

2.3 A／D轉(zhuǎn)換芯片控制模塊及頂層文件的設(shè)計(jì)
    控制器模塊的設(shè)計(jì)：
    ①根據(jù)ADS8364的工作原理：HOLDX保持至少20ns的低電平，轉(zhuǎn)換開始，所以控制器需根據(jù)時(shí)序要求產(chǎn)生HOLD周期信號(hào)。
    ②轉(zhuǎn)換結(jié)束后根據(jù)EOC的響應(yīng)狀態(tài)，需要置RD和CS為低電平，使數(shù)據(jù)通過并行輸出總線讀出。下面是根據(jù)EOC的狀態(tài)改變RD值的Verilog描述：

    根據(jù)圖1的工作時(shí)序和圖2的循環(huán)讀取方式以及對(duì)數(shù)據(jù)采集頻率(12．8 kHz)的要求，對(duì)芯片相應(yīng)的引腳進(jìn)行控制，并和FIFO進(jìn)行連接使采集的數(shù)據(jù)能夠按照循環(huán)方式寫入FIFO。采用Verilog硬件描述語言實(shí)現(xiàn)上述功能，并建立頂層文件正確連接各個(gè)功能模塊。

    頂層文件的Verilog描述如下：

    如圖3所示，時(shí)鐘分頻部分的輸出與FIFO的數(shù)據(jù)寫入時(shí)鐘、AD_Ctrl的時(shí)鐘和A／D轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘相連接。AD_Ctrl部分主要對(duì)ADS8364 芯片進(jìn)行控制，其中輸出RD也連接到FIFO的寫使能端，對(duì)FIFO的數(shù)據(jù)寫入進(jìn)行控制。FIFO的讀時(shí)鐘接到系統(tǒng)時(shí)鐘，讀使能由CPU控制。當(dāng)FIFO 寫入一個(gè)周期的數(shù)據(jù)后，由prog_full產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU響應(yīng)并對(duì)FIFO進(jìn)行讀取。

2．4 仿 真
    對(duì)頂層文件進(jìn)行綜合，并在Mode-lsim中對(duì)其進(jìn)行仿真。數(shù)據(jù)采集控制器的仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)holdx_n為低電平時(shí)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，完成后根據(jù)EOC_n的低電平信號(hào)產(chǎn)生6個(gè)RD_n的低電平信號(hào)，循環(huán)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)了一個(gè)周期的數(shù)據(jù)后，CPU置FIFO的讀使能端口為高電平，對(duì) FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速讀取。若FIFO中數(shù)據(jù)為空，empty為高電平。

3 使用Xilinx嵌入式開發(fā)工具EDK設(shè)計(jì)IP核
    嵌入式開發(fā)軟件EDK為設(shè)計(jì)人員提供了自動(dòng)化設(shè)計(jì)向?qū)А?Base System Builder(BSB)，可以指引工程師快速完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。使用BSB創(chuàng)建工程，在創(chuàng)建完成之后使用EDK自帶的CIP(Create and Import Peripheral Wizard)添加用戶自定義IP核，生成的用戶IP核保存在EDK工程目錄下的pcore文件夾。用戶IP核目錄如圖5所示。

    其中文件夾data用于存放用戶IP的配置文件，如．prj文件、．mpd文件和．pao文件等；文件夾hdl用于存放用戶IP的HDL代碼，即．v或者．vhd文件；而devl(simmodels)文件夾中的工程可以使用戶在ISE平臺(tái)對(duì)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合與仿真，如果設(shè)計(jì)需要加入網(wǎng)表，可以放在 netlist文件夾。CIP在建立用戶IP核時(shí)，使用了一種專用接口規(guī)范(IPIF)。IPIF是一個(gè)驗(yàn)證并優(yōu)化的高度參數(shù)化的定制接口，它提供了一個(gè)簡化的總線協(xié)議IPIC(IP Intercon-nect)，操作這個(gè)總線與直接操作PLB及OPB這些總線相比要簡單很多。通過IPIF模塊，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化定制來滿足設(shè)計(jì)需求，將降低設(shè)計(jì)與測試的工作量。
    將設(shè)計(jì)的Verilog文件復(fù)制到IP核目錄下相對(duì)應(yīng)的hdl文件夾下，啟動(dòng)ISE開發(fā)平臺(tái)并打開devl文件夾中的工程文件，在Sources for Implementation中顯示的結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，adsfifo．vhd是IPIC的描述文件，user-logic．v(或 user_logic．vhd)可以實(shí)現(xiàn)用戶IP核功能設(shè)計(jì)。需要在adsfifo．vhd中加入必要的端口聲明與邏輯設(shè)計(jì)，使PLB控制器與用戶IP設(shè)計(jì)端口進(jìn)行相應(yīng)的連接。設(shè)計(jì)完成后在ISE平臺(tái)中對(duì)該IP核進(jìn)行綜合并仿真。綜合后查看FPGA器件的資源使用情況，如表1所列。

    根據(jù)需要修改user_logic．v(或user—logic．vhd)，向其中添加端口聲明與邏輯設(shè)計(jì)：

    注意：在綜合后需要使用EDK中的CIP工具重新導(dǎo)入用戶IP核，在導(dǎo)入的過程中要指定MPD配置文件和XST project file(*．pfj)文件，這樣CIP可以自動(dòng)加入相關(guān)聯(lián)的．v或．vhd文件。導(dǎo)入完成后在EDK的IPCatalog的Project Local pcores分類中可以看到用戶IP核，可以向EDK工程中加入該IP核，并設(shè)置其Bus Inter-face、Port和Addresses后生成位流文件，下載到開發(fā)板進(jìn)行調(diào)試。

4 總 結(jié)
    利用FPGA和ADS8364設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集的IP核，其接口簡單，采集精度高，可同時(shí)采集多路信號(hào)，而且能減輕FPGA嵌入式系統(tǒng)中CPU的負(fù)擔(dān)，節(jié)省CPU的運(yùn)算資源。經(jīng)過仿真和下載到開發(fā)板驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能滿足高速交變電壓信號(hào)采集的高精度和高實(shí)時(shí)性的要求。