摘要：介紹一種基于SOPC的基本信號產(chǎn)生器的設(shè)計技術(shù)，以Altera公司EP1C6Q240C8為硬件核心，把軟核CPU嵌入到FPGA之中構(gòu)成片上系統(tǒng)(SOPC)，并結(jié)合存儲電路、高速DAC電路、LCD電路、鍵盤電路、JTAG配置電路以及電源電路等進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計，以此實(shí)現(xiàn)基本信號產(chǎn)生器。闡述了各主要模塊設(shè)計方案，并給出軟硬件測試圖。通過示波器觀察，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：FPGA；SOPC；Nios II；DDS；基本信號產(chǎn)生器
SOPC是以PLD取代ASIC，更加靈活、高效的SOC解決方案。SOPC的設(shè)計是通過以IP核為基礎(chǔ)、以硬件描述語言為主的設(shè)計手段，并借助于以計算機(jī)為平臺的EDA工具進(jìn)行的。它代表一種新型的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，也是一種軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)?？梢苑奖愕貙⒂布到y(tǒng)與常規(guī)軟件集成在單一可編程芯片中。它可編程的靈活性和IP設(shè)計的重用性保證了產(chǎn)品的差異性，并縮短面市時間，也無需庫存和一次性投片費(fèi)用，降低了投資風(fēng)險。所以相對于ASIC具有獨(dú)特的優(yōu)勢，與ASIC一起形成共存互補(bǔ)的局面。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)采用以EP1C6Q240C8為核心的設(shè)計方案，如圖1所示。
方案利用了FPGA優(yōu)秀的集成特性，把Nios IICPU模塊、DDS模塊、4×4鍵盤掃描模塊等集成在FPGA上實(shí)現(xiàn)，外部只接少量的電源模塊、DAC模塊以及其他輸入輸出設(shè)備。把傳統(tǒng)的完全基于硬件的大部分工作轉(zhuǎn)換成在PC機(jī)上通過軟件設(shè)計編程來實(shí)現(xiàn)，減小了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。
工作原理如圖1所示。外接4×4鍵盤根據(jù)1602液晶顯示，通過FPGA的鍵盤掃描模塊向NiosⅡCPU發(fā)送鍵盤掃描碼，NiosII CPU根據(jù)接收到的掃描碼產(chǎn)生相應(yīng)的信號數(shù)據(jù)以及控制信號，并通過PIO傳送給FPGA中的DDS模塊，之后DAC器件將DDS產(chǎn)生的8位信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生任意頻率的方波、三角波、正弦波。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要分3個層次：電路板級設(shè)計、FPGA硬件設(shè)計以及Nios II軟件程序設(shè)計。
2．1 電路板級
在電路板級設(shè)計中，采用Altera公司的EP1C6Q240C8作為設(shè)計核心，如圖3所示。由于FPGA配置數(shù)據(jù)掉電后會丟失，所以需要另外搭配一個配置芯片。EPCS1是Altera的專用配置芯片，專門用于存貯對FPGA的配置數(shù)據(jù)，以保證在FPGA掉電后還能夠保存配置信息，再次上電時FPGA芯片會自動從EPCS1中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。
為了便于功能更新以及擴(kuò)展，在FPGA外加上Flash、SRAM和SDRAM作為FPGA的程序和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展，地址線通過EXT_ADDR引出，數(shù)據(jù)線通過EXT_DATA引出，增加電路的擴(kuò)展性。
FPGA中DDS模塊的雙口RAM中輸出的數(shù)據(jù)為8位數(shù)字信號，只有通過DAC轉(zhuǎn)換電路才能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。綜合分辨力、轉(zhuǎn)換速度以及接口方式等要求，本設(shè)計采用ADI公司的AD9708作為系統(tǒng)DAC器件。AD9708的數(shù)據(jù)線和時鐘線與FPGA的I／O腳連接。AD9708的數(shù)字地和模擬地在片內(nèi)是獨(dú)立的，應(yīng)通過外部引腳將其連接在一起。同樣，模擬電源和數(shù)字電源在內(nèi)部也是獨(dú)立的，為了減少來自數(shù)字電源的噪聲，可在模擬電源輸入端串聯(lián)一個磁珠再與數(shù)字電源連在一起。
2．2 FPGA硬件設(shè)計
FPGA硬件設(shè)計是建立在電路板設(shè)計基礎(chǔ)上的對FPGA芯片功能的設(shè)計，將一些可以在電路板上實(shí)現(xiàn)的功能在FPGA內(nèi)部通過采用硬件描述語言或搭建模塊的方式來實(shí)現(xiàn)，減少了上層設(shè)計的工作量以及系統(tǒng)硬件的風(fēng)險。通常本層設(shè)計是通過通用計算機(jī)平臺上的可視化編程軟件實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計采用Altera公司的Quartus II 8．1系列設(shè)計工具。
2．2．1 DDS模塊設(shè)計
如圖4所示，頻率控制字鎖存器保存頻率設(shè)置字M。雙口RAM的寫地址、寫數(shù)據(jù)以及寫使能端口完成對RAM中1 024 Byte數(shù)據(jù)的更新，N位累加器輸出結(jié)果的高10位作為雙口RAM的讀地址。在系統(tǒng)時鐘fclk的作用下累加器根據(jù)頻率控制字M輸出連續(xù)變化或跳躍變化的地址，雙口RAM循環(huán)輸出相應(yīng)地址單元中的8位數(shù)據(jù)，此8位數(shù)據(jù)接到DAC輸入口。
假設(shè)雙口RAM中存放一個周期的正弦信號數(shù)據(jù)，那么此時DAC輸出的正弦信號的頻率fout=fclk×M／2N，同理，當(dāng)雙口RAM中存放的是方波或者三角波數(shù)據(jù)時，DAC也會輸出相應(yīng)頻率的信號。
模塊中32位頻率控制字鎖存器，是用VerilogHDL語言實(shí)現(xiàn)的，并生成自定義模塊以供上層原理圖調(diào)用。N位累加器和雙口RAM是利用Quar-tus II8．1中的MegaWizard Plug-IN manager定制實(shí)現(xiàn)。
2．2．2 定制Nios II CPU
32位的Nios II軟核是該基本信號發(fā)生器的核心模塊，主要用于人機(jī)界面的控制、鍵盤值的讀取以及控制DDS模塊輸出信號的頻率和樣式。
如圖1所示，CPU與外圍設(shè)備之間要添加相應(yīng)的外圍接口，通過Avalon總線與相關(guān)部件相連，通過Avalon的讀寫時序?qū)Ω鱾€設(shè)備進(jìn)行操作。在SOPCBuilder中可以提供眾多IP核，通過定制即可完成相應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計。
在軟核定制過程中，I／O接口設(shè)計充分體現(xiàn)了軟核設(shè)計的可裁減優(yōu)勢，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，任意改變IO口的個數(shù)和類型，使用方便。根據(jù)本設(shè)計功能的要求，確定IO口如表1所示。
為了使該基本信號產(chǎn)生器系統(tǒng)更加簡化，沒有擴(kuò)展Flash存儲器以及SRAM存儲器，而采用EPCS1和FPGA內(nèi)的RAM來代替。EP1C6Q240C8的RAM容量為92 160 bit，在配置時分配空間的大小因程序的大小而定，做到資源的充分合理應(yīng)用。根據(jù)以上分析需要加入的組件有：NiosII CPU Core(CPU核)、片上存儲器以及PIO。配置完成后將會生成如圖5所示定制的CPU配置表。點(diǎn)擊Generate生成模塊，其模塊如圖6所示。
2．3 Nios II軟件程序設(shè)計
在系統(tǒng)軟件設(shè)計階段，采用的開發(fā)工具是Nios IIIDE，它是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、調(diào)試和下載。
本程序?qū)崿F(xiàn)的主要過程是：系統(tǒng)接收鍵盤掃描模塊發(fā)來的5位掃描碼，判斷鍵盤是否按下以及按下的鍵，根據(jù)按鍵的不同進(jìn)入不同的子程序以實(shí)現(xiàn)LCD顯示、頻率控制字的寫入、信號數(shù)據(jù)的生成以及將其寫入雙口RAM。
主程序流程如圖7所示。
3 軟硬件測試
(1)在RAM中加入方波、三角波以及正弦波數(shù)據(jù)，并設(shè)定頻率控制字為0x003fffff。采用Quartus II8．1的嵌入式邏輯分析儀。Signal-TapII Logic Analyzer觀看雙口RAM輸出q[7．．0]，截圖如圖8所示。
(2)通過AS下載接口將硬件編程文件下載到EPCS1中，采用NiosⅡIDE通過JTAG接口運(yùn)行軟件程序。通過鍵盤設(shè)置正弦波、方波以及三角波及其頻率值輸出，并且在1602液晶上顯示相應(yīng)的提示信息，如圖11所示。
4 結(jié)束語
采用人機(jī)界面交互方式進(jìn)行信號選擇、頻率設(shè)置等，Nios II CPU通過判斷鍵盤輸入在LCD上給出相應(yīng)的顯示，提示用戶選擇相應(yīng)的按鍵，輸入完畢后，CPU將產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)和頻率控制字傳送給雙口RAM和頻率控制字鎖存器，最后在DAC輸出端輸出相應(yīng)模擬信號。通過示波器觀察所產(chǎn)生的正弦波、方波以及三角波，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。