FPGA：數(shù)字示波器 1 - 首款設(shè)計(jì)
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以下是此處構(gòu)建的內(nèi)容：
FPGA 接收兩個時(shí)鐘：
一個緩慢的“系統(tǒng)”時(shí)鐘，固定在25MHz。
ADC采樣時(shí)鐘（更快，假設(shè)100MHz），連接到ADC和FPGA。
擁有這兩個時(shí)鐘為設(shè)計(jì)提供了靈活性。 但這也意味著我們需要一種方法將信息從一個時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋€時(shí)鐘域。 為了驗(yàn)證硬件是否正常工作，讓我們走一條簡單的路線，使用FIFO。 從ADC采集的樣本以全ADC速度（100MHz）存儲在FPGA FIFO中。
然后，F(xiàn)IFO內(nèi)容被讀回、序列化，并以更慢的速度（115200波特）在串行端口上發(fā)送。 最后，我們將串行輸出連接到接收每個字節(jié)并顯示信號跡線的 PC。
對于第一次嘗試，沒有跟蹤觸發(fā)機(jī)制。 ADC存儲以隨機(jī)間隔啟動，因此跡線將左右跳轉(zhuǎn)，但目前還好。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在100MHz頻率下，F(xiàn)IFO在大約10us內(nèi)充滿。 這是相當(dāng)快的。 一旦吃飽了，我們就必須停止喂食。 存儲的內(nèi)容需要完全發(fā)送到 PC，然后才能再次開始饋送 FIFO。
這里使用的串行通信工作在 115200 波特，因此大約為 10KB/s。 1024 個樣本傳輸大約需要 100 毫秒。 在此期間，示波器是“盲”的，因?yàn)槲覀儊G棄了來自ADC的數(shù)據(jù)。 所以它在 99.99% 的時(shí)間里是盲目的。 這是此類體系結(jié)構(gòu)的典型特征。
當(dāng)我們稍后添加觸發(fā)機(jī)制時(shí)，這可以部分補(bǔ)償，因?yàn)楫?dāng)觸發(fā)器處于布防狀態(tài)時(shí)，它會以全ADC速度工作，并且只要觸發(fā)條件發(fā)生，它就可以保持布防狀態(tài)。 稍后會詳細(xì)介紹。
注冊輸入
ADC輸出數(shù)據(jù)總線使用8個引腳連接到FPGA，我們稱之為“data_flash[7：0]”。 這些產(chǎn)品的速度高達(dá)100MHz。 由于速度很快，因此最好在它們進(jìn)入 FPGA 時(shí)立即“注冊”它們。
| reg [7:0] data_flash_reg; always @(posedge clk_flash) data_flash_reg <= data_flash; |
現(xiàn)在，“data_flash_reg”完全位于FPGA內(nèi)部，可以饋送到FPGA FIFO。
先進(jìn)先出
FIFO 為 1024 字深 x 8 位寬。 由于我們每個時(shí)鐘從ADC接收8位，因此我們可以存儲1024個ADC樣本。 在100MHz時(shí)，填滿FIFO大約需要10us。
FIFO使用FPGA內(nèi)部提供的同步靜態(tài)RAM模塊。 每個存儲塊通常可以存儲 512x8 位。因此，F(xiàn)IFO 使用 2 個塊。
FIFO邏輯本身是使用FPGA供應(yīng)商的“函數(shù)生成器”創(chuàng)建的。 Xilinx 稱其為“coregen”，而 Altera 則稱其
“Megafunctions wizard”。在這里，讓我們使用 Altera 的 Quartus 來創(chuàng)建這個文件。
所以現(xiàn)在，使用FIFO只是一個連接問題。
| fifo myfifo(.data(data_flash_reg), .wrreq(wrreq), .wrclk(clk_flash), .wrfull(wrfull), .wrempty(wrempty), .q(q_fifo), .rdreq(rdreq), .rdclk(clk), .rdempty(rdempty)); |
使用FIFO很好，因?yàn)樗梢蕴幚聿煌臅r(shí)鐘。 我們將FIFO的寫入側(cè)連接到“clk_flash”（100MHz），將FIFO的讀取側(cè)連接到“clk”（25MHz）。
FIFO為每個時(shí)鐘域提供完整和空信號。 例如，“wrempty”是可以在寫入時(shí)鐘域（“clk_flash”）中使用的空信號，“rdempty”可以在讀取時(shí)鐘域（“clk”）中使用。
使用FIFO很簡單：寫入它只需斷言“wrreq”信號（并將數(shù)據(jù)提供給“.data”端口），同時(shí)從中讀取斷言“rdreq”（數(shù)據(jù)來自“.q”端口）。
寫入 FIFO
要開始寫入 FIFO，我們等到它為空。 當(dāng)然，在上電時(shí)（配置FPGA之后），這是真的。
只有當(dāng)它滿了時(shí)，我們才會停下來。 然后這個過程又開始了......我們等到它是空的......喂它直到它吃飽為止......停。
| reg fillfifo; always @(posedge clk_flash) if(~fillfifo) fillfifo <= wrempty; // start when empty else fillfifo <= ~wrfull; // stop when full assign wrreq = fillfifo; |
讀取到FIFO
我們從FIFO讀取，只要它不是空的。每個字節(jié)讀取都發(fā)送到串行輸出。
| wire TxD_start = ~TxD_busy & ~rdempty; assign rdreq = TxD_start; async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(q_fifo)); |
我們使用 async_transmitter 模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化，并將其傳輸?shù)揭粋€名為“TxD”的引腳。
完整的設(shè)計(jì)
我們的第一個工作示波器設(shè)計(jì)，不是很好嗎？
| module oscillo(clk, TxD, clk_flash, data_flash); input clk; output TxD; input clk_flash; input [7:0] data_flash; reg [7:0] data_flash_reg; always @(posedge clk_flash) data_flash_reg <= data_flash; wire [7:0] q_fifo; fifo myfifo(.data(data_flash_reg), .wrreq(wrreq), .wrclk(clk_flash), .wrfull(wrfull), .wrempty(wrempty), .q(q_fifo), .rdreq(rdreq), .rdclk(clk), .rdempty(rdempty)); // The flash ADC side starts filling the fifo only when it is completely empty, // and stops when it is full, and then waits until it is completely empty again reg fillfifo; always @(posedge clk_flash) if(~fillfifo) fillfifo <= wrempty; // start when empty else fillfifo <= ~wrfull; // stop when full assign wrreq = fillfifo; // the manager side sends when the fifo is not empty wire TxD_busy; wire TxD_start = ~TxD_busy & ~rdempty; assign rdreq = TxD_start; async_transmitter async_txd(.clk(clk), .TxD(TxD), .TxD_start(TxD_start), .TxD_busy(TxD_busy), .TxD_data(q_fifo)); endmodule |
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