转——基于ZX-2型FPGA开发板的串口示波器（一）

Zedd

转——基于ZX-2型FPGA开发板的串口示波器（一）

据采集卡，ZX-2开发板负责进行数据的采集并将数据通过串口发送到PC机上，PC端，利用强大的串口调试工具——串口猎人，来实现数据的接收分析，并将数据分别以波形、码表、柱状图的形式动态显示出来，以让使用者能够直观的看到ADC采集到的信号细节。同时，用户也可以使用串口猎人通过串口给下位机（FPGA）发送指令，下位机将对接收到的指令进行解码，然后依据解码结果来配置FPGA中各个子模块的控制寄存器，以实现通过串口控制FPGA中子模块工作状态的功能。
6 s0 t0 |/ Z. u0 n

3 [, r3 _; [. V3 D% W# u8 ~' i5 H
! m5 o4 O1 r' O  L: }, e本实验中，涉及到的应用模块和知识点如下所示：
串口收发模块的设计和使用；
; ~6 a% o2 q0 C5 o5 D' J! f串口收发模块仿真模型的设计；
7 Q. Y; n5 n& Z8 K' L7 \- }+ `* r串口简单数据帧的解码；
/ A3 ~" V/ ]: s串口帧转Memory Mapped总线的设计；
Memory Mapped Slave模块的设计；
线性序列机设计思想的应用（ADC驱动）；
独立按键消抖的分析与实现；
直接数字频率合成（DDS）的设计与实现；
使能时钟对系统间模块协调工作的重要性；
& H; r) u+ s, Q; {) j8 ~* ^2 B串口猎人的详细使用；
+ i/ a6 ?& W8 J! C完整系统的仿真验证设计；
: n! [) y" M$ n0 d8 z, h  g头文件在设计中的运用；
3 S2 j& J$ J) fQuartus II软件中可定制化存储器ROM的使用；

& B& B, N8 q: E本实验不仅注重可综合的代码编写，同时更注重代码的仿真验证。通过仿真，我们能够寻找设计中可能存在的问题并修正。最终，在整个系统仿真无误的基础上，下载到开发板上一次性成功。
: Z% x. [& k6 ?0 _下图为本设计的框架结构图：
0 }4 i" ?  t  I5 W0 w
系统采用模块化设计，在模块划分的过程中，重点考虑了系统的可扩展性，下表为对系统中各模块功能的简单介绍。

/ B. O7 l2 ?8 s- V8 {5 z

基于串口的虚拟示波器模块功能介绍         9 e- {# f0 L) q' N0 A; r0 s8 u
模块名 2 b8 r. E1 h& I& l( S	模块功能
8 ~, d+ s8 `% c3 n" H6 N; {Uart_Byte_Rx	) t+ U9 G( }& ]. K& m串口字节接收模块，负责进行PC机发送指令数据的接收工作；
$ |- E" v6 ]/ G, SCMD	+ @" z/ U. M' B% Y: y" b  H串口指令解析与控制模块，该模块通过解码PC机发送的指令数据序列，获取控制命令，转换为Memory Mapped Master总线，以实现上位机通过串口控制下位机（FPGA）中各模块寄存器的功能； 8 {/ f7 Y: V6 q" p
1 a* W% c; M4 u% i2 SSample_Ctrl $ k! ?  ~1 A9 N$ @! R: j$ @	ADC采样速率控制模块，该模块通过控制使能ADC采数的速率来调整ADC的采样率； 4 |  A' {5 e4 u6 W& K* h
( J  m& Q8 b' u0 X, S* _UART_Byte_Tx	串口字节发送模块，该模块负责将需要发送的字节数据通过UART协议发送出去（发送到上位机） ' a+ m! S; s+ g0 B9 ?$ R. k5 |
8 O& g. T# U) n7 x; UUART_Tx_Ctrl 4 ]" H' s/ P! e6 b	串口发送控制模块，根据数据有效标志信号来控制串口发送模块将数据出去 ' z) l' g, i( E
tlc549_Driver	! {. M* r' T% h9 Z* ^/ q; zTLC549模数转换（ADC）芯片驱动模块，负责驱动TLC549进行模数转换，并将转换结果以字节格式输出。
D& H4 j# w$ l. m0 GDDS	DDS信号发生器模块，该模块生成一个固定频率的正弦波，在没有外部信号发生器的情况下，可通过该模块生成正弦波，并将输出数据接入到采样部分，以模拟采集正弦波信号并在上位机显示
2 r# K+ N: z% Y' ]# AMux1 / p+ {! x. m+ {" Y3 M  ~8 _8 |	AD采集结果和DDS数据结果多路选择模块，在测试时，用户可以选择需要采样的数据为内部信号发生器生成的正弦波数据（供演示用）或者ADC采集到的电压结果（实际测试） ) Z9 Q" F) y0 x) v- X
Mux2 2 G$ {# S7 `* g5 h- s+ E% w: }# k	* P% ^# T& z. c1 G8 ZAD采集结果和DDS数据结果有效标志信号选择多路器，在ADC和DDS都处于工作的状态下，通过该多路器来实现数据有效标志信号的选择 ' y- ?5 E, X6 k" D; w4 W
5 @5 }+ K, s/ k0 O4 z& }/ Y4 snormal_keys_detect	. D& p) ^( B4 ]" L; ]独立按键消抖模块，通过该模块来实现AD数据和DDS数据的切换，即在演示和实际测试中进行切换。 6 q% ?. {" F! |& n+ G

5 Q7 `$ t" |' Y
( O2 o0 m8 O$ D3 z- e4 I4 ~5 c5 s系统中各端口和信号的功能介绍如下：

基于串口的虚拟示波器端口和信号介绍 : |9 B" J& b! H6 c/ M
' N, H+ L5 ~# b* D端口	位宽 7 W4 B7 H1 h5 P  C# S	3 B! A+ N' t" g6 D4 C6 G& P. j" R3 N端口功能描述
7 Q8 o! `* J- HClk 0 g2 Z$ f$ [, e8 v* L$ d	1	系统时钟，50M * I  Y/ {3 e" y6 s  F" I
T) u) w1 X* dRst_n	1	全局复位，低电平复位 / h  x/ L! @- }# j
" |" {# N( [! y- V6 N1 d$ z6 WRs232_Rx + s" }' s# n8 N3 T( l6 y	: I& [1 ?; B" f# ]/ G1	/ g) H: H9 @9 p- G1 i: f' l' M串口接收引脚
8 t) p- _, Z4 o) z/ Q$ c- xRs232_Tx ( r! W: ]1 H3 k  c0 L& [	1	( m! a, N" s$ M6 Q3 ?! v串口发送引脚
4 o( }8 n( J7 C7 X) k: oKey_in 1 G3 _1 Z1 R5 e1 E	# u, G. @- Z7 ]3 z/ ^; f3 T3	按键输入 # c5 V: M. i( |1 e
ADC_Din	4 @# K6 Z$ }! ~' W# k5 C1	9 \* u8 Y$ C7 L; o; o2 kADC芯片数据引脚 ' o6 @! z% @. V/ f
* A" b+ Q; E/ H+ Y; D+ uADC_Clk 5 ?! c6 O- y6 i	1 + }' g. d$ B" c; x: V" u	7 t, Y3 I, i7 r) HADC接口时钟 * C& ?6 `6 _, `
ADC_Cs_n	! J3 v) C5 X6 A2 t1	ADC芯片片选信号
内部信号	位宽 1 \2 `7 ?6 _- d, y( @. R	信号功能描述 1 q# I1 k& M. U- \' y
Baud_Set	/ `6 n3 U. Q. j3	波特率选择信号，对应波特率如下： & H8 ]% s4 W3 X/ w" O; _000: 9600bps 4 ?0 @4 D  ]5 Z8 X* n001: 19200bps 9 {; M5 Z2 z, I; x% h010: 38400bps 011: 57600bps 5 s% L; I  ^2 F. I100: 115200bps 101: 230400bps 110: 460800bps 8 I# ]4 Y: d0 p2 p- S111: 921600bps * r& D  X/ {, o. K& T5 N3 C/ f( A# w( c
Rx_Byte	- _# \! o, L4 A4 v5 `. w/ [8 ) N1 q' ^" i6 P- l$ n! v	* Q# I( O: m1 t% {" v5 W& H串口接收到的字节数据
Rx_Int	( ?7 Z) V3 p2 }+ |6 ?5 ^% K' i1 - G' o* x8 W$ v	串口接收字节成功标志信号，每次接收成功，此信号产生一个时钟周期的高脉冲 # D- Z) N8 Z, j; v  I# ]& C
Byte_En	1 ; C( E' A, l' M0 h	串口字节数据发送使能信号，每一次一个时钟周期的高脉冲使能一次串口字节发送。 ' w5 U2 \# U) @
8 p+ ~' ?- l% D% T4 H/ ^* K4 tTx_Done : F3 q% s& d, ~	. Y; H  F( C( r5 w7 ~% r! X! K1	串口发送字节数据完成标志，每个字节的数据发送完成，此信号产生一个时钟周期的高脉冲
ADC_En 4 g& X5 d; C# F	1	ADC单次转换使能信号，每一次一个时钟周期的高脉冲使能一次AD转换
ADC_Data : ]* v, x) R% h	8	6 m1 H7 H2 l# R% h7 V/ CADC采样结果
; i7 J; `' w) M" X4 WADC_Flag / M6 h! u& o" U8 q; O	1 4 F( v1 e. w, J1 z$ N: @	6 D6 t6 J: z# g8 X, BADC转换结果有效标志，每次转换结果有效后，此信号产生一个时钟周期的高脉冲
ADC_Busy	" _, `1 N; y2 X- D$ Z8 x% s3 Z1	ADC工作忙标志，高电平表明ADC正处于转换状态，新的转换命令将被忽略，只有当该信号为低电平时，外部控制逻辑才可触发新的转换 7 B6 [. D2 L4 C. q6 ?
+ n4 _/ @6 R8 C- {  J: W% c' Pm_wr ; m& H" D1 d2 L. l. V; K' e7 X	; y- G+ s8 E5 d. r5 c: Q2 A# j, O1 / z2 N% G1 p' g( J+ h# l7 f' p( Y# k	3 P+ t# H" z- N' e) G. {( a主机写数据的请求，为1表明有写请求
' |/ U7 P, B7 @' mm_addr , u% v6 t; U! E- _	8	8 P% d6 c* m* p主机写数据的地址 # P. e4 K5 \) O) r- N6 \
m_wrdata 8 X' V8 \9 B- R! K; X	' z# U/ b6 ?! V1 ^" W4 \16	9 S6 Z$ K# }  I! I1 X0 e主机写数据
4 Q' h, S0 f- p5 C7 p9 c+ RDDS_Data	8	DDS生成的波形数据
! S. J, K3 D+ N* Q* P$ s: v% {DDS_Flag 6 d6 R! y' b; M; B# I4 G/ S( h	1 ( G9 c/ @' y' C	1 ?* ?& N6 W/ S# Y2 wDDS采样使能标志，该信号由DDS采样速率控制进程产生 : w3 W: r, A- m, o' G2 N' y
! e  s" U  Q0 r* I' A& i- }; Z  mData_Flag + |" c3 P, s1 W4 {# ^	& |" h5 B1 V7 u1 6 \+ }/ X1 H3 z+ W4 b* r4 }  E	数据有效标志（根据用户按键进行选择DDS_Flag 或ADC_Flag） ; ^/ L7 s0 \1 T) U5 g7 c
4 T" a- b. j8 Z9 v# x1 MData_Byte	/ U1 v# \3 {8 N, C) ~- X8 + A2 M, r% F# }	串口发送字节数据 2 c9 y# v4 k$ x+ N
Data_Sel ) s( y; {, O4 D6 P8 x# r3 a% y% W	; ]  m$ |' U8 j+ E7 `1 9 T. T2 A7 _' ~5 U' E	0 D; O2 M  A( W* Q3 a, W# S& }5 k数据选择信号（选择串口发送DDS_Data 或 ADC_Data），为1选择DDS_Data，为0选择ADC_Data & |! A& ~! `) c0 X) y
' B+ h2 n9 c4 i0 g9 {' f, s: yFlag_Sel	7 }$ U  P, ~5 Q4 }. Q# s& U8 j7 o1	数据有效标志信号选择信号（选择DDS_Flag 或ADC_Flag）为1选择DDS_ Flag，为0选择ADC_ Flag
6 {% y0 \7 a, f/ d7 WKey_Flag 5 A2 w$ h# O+ }, Q( n+ f	& Q( D( m0 [. C9 K* i4 x3 E1	按键检测成功标志信号，每次按键检测成功该信号产生一个时钟周期的高脉冲信号
8 o3 m1 L7 _3 G) F8 @Key_Value	3	按键检测结果 . g; J# X  p/ G2 S( W8 U2 S

本实验为综合性实验，代码量较大，因此这里只针对部分代码进行讲解。如果文档中没有讲到的内容，大家可以参看代码注释。
! Y  m* e) c; H2 D1 H& j4 }- y

1 J; ]7 m* H4 G  h  c
5 x/ X- U" G* ?
+ X$ m  V1 M+ b6 q+ U5 `  f8 x

小梅哥

2015年4月8日 于至芯科技

gaoxings

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