基于FPGA的可調(diào)信號(hào)源設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列器件（FPGA）具有編程方便、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。為了滿(mǎn)足科研和實(shí)際測(cè)試要求，本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA、高速D/A為核心，能產(chǎn)生多路頻率可調(diào)信號(hào)的信號(hào)源系統(tǒng)。該系統(tǒng)中波形數(shù)據(jù)、控制命令字由上位機(jī)發(fā)出，通過(guò)FPGA控制在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，并將波形數(shù)據(jù)讀出送入DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的模擬信號(hào)波形及開(kāi)關(guān)量的控制。利用上述方法設(shè)計(jì)的信號(hào)源，信號(hào)產(chǎn)生靈活、功能擴(kuò)展方便、信號(hào)參數(shù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)，具有特殊的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景[1]。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本信號(hào)源系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸出（上位機(jī)軟件）、USB數(shù)據(jù)傳輸接口、數(shù)據(jù)緩沖與存儲(chǔ)（FIFO和SRAM）、控制部分(FPGA) 、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理（DAC、跟隨器）及開(kāi)關(guān)量的輸出等6個(gè)模塊組成。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其具體工作流程為：PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至USB單片機(jī)端點(diǎn)FIFO，當(dāng)數(shù)據(jù)大小達(dá)到512 B時(shí)，數(shù)據(jù)自動(dòng)打包后送入外部緩沖FIFO。FIFO是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，它與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別在于沒(méi)有外部讀寫(xiě)地址線(xiàn)，靠空/滿(mǎn)標(biāo)志的產(chǎn)生來(lái)控制數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀出。在FPGA控制模塊中，當(dāng)FPGA接收到FIFO半滿(mǎn)信號(hào)后，由FPGA控制將波形，數(shù)據(jù)存于SRAM中。然后FPGA控制波形數(shù)據(jù)從SRAM中取出后送D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和調(diào)理電路后即得所需波形，或直接由FPGA將數(shù)據(jù)發(fā)送到繼電器來(lái)控制外部供電系統(tǒng)的開(kāi)斷。
2 模塊設(shè)計(jì)
2.1 USB傳輸部分
USB 接口即“通用串行總線(xiàn)接口”，是應(yīng)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口之一，它使得外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接更加高效、便利。USB 接口不僅具有傳輸速率快、即插即用、支持熱插拔等特點(diǎn)，而且易于擴(kuò)展，可以有效地解決計(jì)算機(jī)外圍接口不足的問(wèn)題。隨著在工程實(shí)際中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室笤絹?lái)越高，傳統(tǒng)的串口、并口傳輸已經(jīng)不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而USB2.0 接口最高可達(dá)480 Mb/s 的高速傳輸速率，使得計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸成為可能。同時(shí)，USB 接口設(shè)備的普及也促使其成為數(shù)據(jù)高速傳輸中設(shè)備連接的首選接口。
本設(shè)計(jì)考慮了兩種USB2.0通信接口設(shè)計(jì)模式：(1) 基于USB 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。例如以Cypress 公司開(kāi)發(fā)的CY7C68013 單片機(jī)為控制核心而設(shè)計(jì)的USB 通訊接口；(2)基于協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計(jì)，例如以FTDI 公司推出的FT245BM 協(xié)議接口芯片為控制核心的USB 通信接口。
(1)USB-單片機(jī)
CY7C68013單片機(jī)[2]的GPIF接口有16位數(shù)據(jù)線(xiàn)、6個(gè)RDY信號(hào)和6個(gè)CTL信號(hào)。RDY信號(hào)用于對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行判斷， CTL用于輸出對(duì)外部器件的控制命令，16位數(shù)據(jù)線(xiàn)用于單片機(jī)與外部器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸。該芯片集成了51單片機(jī)內(nèi)核、USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、4 KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口等模塊，這些模塊保證了CY7C68013與DSP、ATA等外圍器件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、高速的數(shù)據(jù)傳輸。
(2)USB-FIFO
FT245BM是由FTDI公司推出的USB協(xié)議芯片。FT245BM內(nèi)含2個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。一個(gè)是128 B的接收緩沖區(qū)，另一個(gè)是384 B的發(fā)送緩沖區(qū)。它們用作USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)。FIFO是實(shí)現(xiàn)與外界(微控制器、FPGA或其他器件)數(shù)據(jù)互換的接口，它主要通過(guò)8根數(shù)據(jù)線(xiàn)DO～D7、讀寫(xiě)控制線(xiàn)RD和WR以及FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志TXE和FIFO接收緩沖區(qū)非空標(biāo)志RXF來(lái)完成數(shù)據(jù)的交互。FT245BM與FPGA之間的邏輯連接圖如圖2所示。
[!--empirenews.page--] 通過(guò)USB-單片機(jī)和USB-FIFO兩種傳輸方式的對(duì)比來(lái)看，F(xiàn)T245BM USB接口協(xié)議芯片具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。但是，由于受其芯片內(nèi)部FIFO空間所限，導(dǎo)致傳輸速率有限，最高只能達(dá)到1 MB/s左右；同時(shí)由于波形數(shù)據(jù)和控制命令字都是通過(guò)DATA(7:0) 8個(gè)端口進(jìn)行輸入或輸出，所以在傳輸時(shí)是分時(shí)復(fù)用的，不僅在上位機(jī)和底層硬件通信時(shí)帶來(lái)很大的不便，而且降低了信號(hào)源的頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 MB/s[3]。
CY7C68013單片機(jī)具有傳輸速率快、程序設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)、傳輸速率高等特點(diǎn)。它支持12 Mb/s的全速速率和480 Mb/s高速傳輸速率，并且用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)編寫(xiě)和修改數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚰K，但是其程序的設(shè)計(jì)相對(duì)FT245BM來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，需要用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)開(kāi)發(fā)相關(guān)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和應(yīng)用程序,以完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?br /> 兩種基于USB的設(shè)計(jì)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要，在傳輸速率不高、接口設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單的情況下，可以考慮使用FT245BM USB接口協(xié)議芯片。而對(duì)于傳輸速率要求較高，接口設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，同時(shí)要求根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸模塊的場(chǎng)合，可以考慮使用CY7C68013 USB單片機(jī)。本設(shè)計(jì)在前期試驗(yàn)中采用FT245BM,但由于傳輸速度的限制以及控制的實(shí)時(shí)性，最終采用了CY7C68013 USB單片機(jī)設(shè)計(jì)模式。
2.2 FPGA控制部分
FPGA程序控制流程圖如圖3所示。
FPGA有兩種工作模式：第一種是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，即控制讀取FIFO中的波形數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到SRAM中。進(jìn)入這種工作模式后，F(xiàn)PGA判斷FIFO的空信號(hào)是否有效；如果FIFO的空信號(hào)無(wú)效，則FPGA控制FIFO的讀信號(hào)有效，從FIFO中讀取波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中。SRAM的存儲(chǔ)方式采用分塊存取的方式，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)可通過(guò)分塊掃描的方式均勻讀出各種波形數(shù)據(jù)，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的修改掃描頻率即可控制波形頻率。第二種是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式，即控制讀取SRAM中的波形數(shù)據(jù)傳送給D/A轉(zhuǎn)換器，并控制D/A轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換和對(duì)繼電器開(kāi)斷。
2.3 D/A轉(zhuǎn)化部分和開(kāi)關(guān)電路[4-5]
DAC715是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該芯片具有16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可在工作電壓為±12 V或±15 V時(shí)，實(shí)現(xiàn)0 V～10 V的模擬電壓輸出。FPGA主要通過(guò)DAC715的輸入工作選通信號(hào)WR、寄存器控制信號(hào)A0和D/A鎖存控制信號(hào)A1 來(lái)控制DAC715完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。DAC715輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)量采用繼電器AQY210，該繼電器是電流驅(qū)動(dòng)，電路連接圖如圖4所示。
本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)源利用USB接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)命令字和波形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下載,使得產(chǎn)生的信號(hào)頻率、幅值和偏置靈活可調(diào)，可滿(mǎn)足不同的實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)對(duì)外部供電系統(tǒng)可以靈活控制。事實(shí)上，這種控制的靈活性也使其在航天測(cè)試上得到了廣泛運(yùn)用。
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