零基础学FPGA （二十三）SOPC进阶，自定义AD转换IP核设计

FPGA

本帖最后由小墨学FPGA 于 2015-2-1 20:15 编辑

可能是不太适应北京的天气，最近感冒了，鼻子堵得厉害.....外面风很大，也很冷，屋里暖气开的不错，一冷一热之间，这鼻子就得有意见了~

今天带大家来设计一个自定义的IP核，我们从最基本的做起，包括datasheet 的理解，设计的整体框架，AD转换代码的编写，仿真，Avalon-MM总线接口的编写，硬件系统还是基于上次的硬件系统，不过我们不再用altera给我们提供的IP核了，我们要自己做一个，有时候我们找不到他们提供的IP核，或者有些IP核是收费的，这个时候我们就可以自己来编写自己的IP，虽然没有官方的那么标准，但是用来做一些实验还是没什么问题的。

这次实验我用的是原来我那块板子，因为那块板子上有AD转换芯片，而我们上次搭建的硬件系统是基于cyclone IV的硬件系统，但是这块开发板上没有AD芯片，我们就不做软件下载的实验了，其实只要在我们编写AD转换HDL代码的时候测试成功，那么我们软件调试部分就应该没什么问题了，有条件的同学可以自己做这一部分。

一、有理可依

所有编写的代码必须都得有理可依，要不然直接看代码那得有多痛苦啊，第一部分先来带大家熟悉一下datasheet上的东西

我们要操作的AD转换芯片TLC549的顶层视图

可以看到这个芯片应该不太难操作，左边是模拟信号输入端，因为是模数转换，这边我们就暂时可以不管，看右边有时钟信号，数字信号输出端和片选端，那么我们需要控制的，无非就是时钟信号和片选信号了
还有什么器件描述什么的大家可以自己取去看，我们主要去看时序图

      大体上来看一下，，首先是ADC的工作时钟，它在片选信号为低电平的时候有效，连续8个周期用来将转换后的数字信号送到数据总线上，8个时钟周期过后就是转换周期，用来对模拟信号进行转换，在这期间，片选信号要拉高，对于片选信号，开始的时候有一个从高电平到低电平的跳变，然后等待一个建立时间TSU，建立时间结束后ADC工作时钟开始工作，8个时钟周期后，片选拉高开始模数转换，之后片选拉低，将转换后的数据送出去。

      细节部分，可以看到当片选拉低后，我们可以定义一个使能信号en来开启工作时钟，从片选拉低到工作时钟有效需要一个建立时间1.4us，这个数据在下面的表格中可以查到，之后是8个数据锁存周期，每一个时钟的高低电平延时不能小于404ns，具体也是表格中找，然后是转换周期，时间是17us，至于转换期间的工作时钟是什么我们可以不必关心。

      再来看一下它的注释内容，大体意思是说转换周期需要一个17us的延时，注释B大体意思是说，当片选拉低之后，数据的第8位就自动的放到了数据总线上，剩下的7位数据在第7个时钟下降沿到来的时候就已经锁存了。

二、编程思路

      这段时间跟着他们在上课，听李老师讲课的时候，李老师不会将大量的时间放到代码的编写上，而是有时候花一整节课的时间来帮助学生来构建编程的思路，包括系统架构，状态转移图等，有了这些都东西作为铺垫，我们的代码编写就可以手到擒来，起到事半功倍的效果，如果我们不做好事先的准备设计工作，没有一个系统的架构在我们脑海里，上来就去写代码，就会发现越写问题越多，思路不通，处理不当等问题，所以小墨同学回来之后也用word做了这么个状态转移图，这个实验不是很难，状态机也没那么复杂，就是希望起到一个抛砖引玉的过程，通过一个小小的实例，告诉大家以后在拿到一个问题后改怎么下手。虽然画的不怎么样~还是可以看得哈~

   理一下编程思路吧，从datasheet里面我们知道。我们要做好这几个延时，即准备转换的延时1.4us，17us的转换延时，和404ns的ADC工作时钟高低电平延时等。状态机部分采用两段式状态机。将组合逻辑与时序逻辑分开，采用独热编码。按照状态转移图构思好状态机的编程思路。数据处理部分，为了保证数据的稳定性，可以采用边沿脉冲检测法检测ADC工作时钟的上升沿，在每一个上升沿将转化后的数据一位一位锁存，由于数据是串行输入，还要用到串并转换的思想，这些编程方法前面都已经介绍过，就不一一讲解了。

   代码风格部分，个人感觉这一套代码比起以前有了一些进步，至少看起来思路清晰，注释合理，数据处理恰当，语法直白，没有用到一些很别扭的语法等。具体还需要广大读者自己去体会，也希望你们能够喜欢~

   代码部分就不一一讲解了，源代码会附在文章后面，大家可以自行消化

三、仿真与验证

上面是前仿真的过程，从波形来看和我们的设计吻合，用标尺量一下，延时参数也和我们设计的一致

按理说我们下一步需要进行时序约束部分，但是我们的这个设计是us级的，即使不做时序约束也是可以的，但是毕竟我设计的是一个IP核，为了稳定起见还是做一下时序约束比较好。说实话，时序约束部分，个人感觉是一门高大上的学问，变化多端，有些都是经验值，你问一个工程师为什么是这样约束，有时候可能他也答不上来。之前也接触过静态时序分析的知识，但是一直不敢写，感觉还是学的不怎么样吧，想回去以后学内存这方面的时候再去好好研究一下它~

下面是后仿真的波形图

可以看到，波形跟我们的设计吻合，也没有出现什么不合理的设计什么的，可以下板验证了

可以看到，当我们扭动滑动变阻器的时候，相应的模拟量被转化成数字量并在数码管上显示了

四、Avalon-MM总线接口设计

我们知道，我们设计的这个IP核是要挂到Avalon-MM总线上的，作为一个从机，总线需要通过片选信号来访问总线上挂的这些IP，因此，我们也需要给我们的IP设计一个和总线通信的接口

我们设计AD转换的IP核的片选信号低电平有效，当片选信号有效的时候，如果再来一个读信号，那么，数据就会被总线读走，送至CPU

五、自定义IP

好了，下面我们就可以来定义我们自己的IP了

先将我们刚才设计好的AD转换的.V文件复制到我们硬件系统的目录中，并养成一个好的习惯，新建一个文件夹，并命名为IP，以后我们设计的IP都可以放到里面

打开我们之前硬件系统的sopc builder,双击左上角的NEW component ，在HDL file一栏中添加我们的adc.v文件，

在signal一栏中，根据端口的类型配置端口，时钟复位信号不用说，其中我们的与总线接口部分的端口属于总线的从机端口，我们需要把它定义为avalon_slave_0端口类型，信号类型设置为低电平片选，低电平读就好，其他端口设置为conduit类型，信号类型设置为export，因为我们是用来输出到外部器件的端口

在接口一栏中，我们可以设置一些相关参数，一般为默认就好，为了我们数据的稳定性，我们可以把读延时周期设置为4个，保证它有足够的时间去处理数据

然后点击finish，双击我们生成的IP核将它添加到系统工程中即可，然后重新生成硬件系统

六、硬件系统生成

将生成的新的硬件系统的例化接口声明好，这样在我们的设计顶层又多了这样一个模块，按照惯例分析综合，时序约束，分配管脚，这样我们的硬件系统就设计好了

七、软件部分

因为我的硬件系统上没有AD芯片，这里就只简单说一下软件代码，不做下板调试了

软件部分只讲一下主函数部分，看下图

代码很简单，就是每隔一段时间将采集到的值在窗口打印，不过有个问题需要解释一下，有人会问，我们在自定义IP的时候不是定义了片选端和读信号么，为什么我们没有对它进行操作就可以读数据了呢？
其实我们是不需要对我们的外设进行片选或者读写使能的，因为我们的avalon-MM总线一次只能访问一个从机，我们给出了我们AD转换的IP的地址，就默认片选了这个模块了，又因为我们调用了IO操作的读函数，在定义信号的时候我们定义的是低电平，这样其实就是总线默认帮我们选好了，我们只需要给它一个地址，那么数据就会自动的传到总线上去。

caucyb · 2015-9-23 15:41:54

好资料，收藏了

infiluck · 2015-9-24 16:32:50

感谢楼主分享感谢楼主分享感谢楼主分享感谢楼主分享感谢楼主分享感谢楼主分享

pqsheep20034 · 2015-9-29 21:08:49

不错，程序一直写不好来学学

wangyangeng · 2015-10-8 16:58:48

小墨同学写的太好了，学习了

wangyangeng · 2015-10-8 16:59:12

小墨同学写的太好了，学习了

憨人会有出头天 · 2015-10-8 22:12:10

楼主真是学习的榜样！！！！！！！！！！！

2015-10-9 21:03:50

感谢楼主。。。。。。

Lost_stars · 2015-10-10 16:33:20

好人呐楼主，谢谢分享！！！

~追逐梦想 · 2015-12-2 15:16:17

谢谢楼主分享！

刘庆杰 · 2015-12-5 19:38:45

谢谢分享希望有更多的好贴可以分享学习

neuzxx · 2015-12-20 08:30:20

楼主你这么牛。您老娘知道吗？

golgen0125 · 2015-12-21 18:23:24

对初学者不错的资料

李耀 · 2016-1-9 14:40:48

感谢楼主分享~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

李大为 · 2016-1-9 23:41:24

学习学习！！！！！

klsn911 · 2016-1-10 09:26:32

不得不承认，很了不起！

李耀 · 2016-1-10 23:16:02

正在做毕设，谢谢分享！

1653300361.457100 · 2016-1-27 16:21:29

你好请问IORD_SDIRECT函数是你自己定义的吗还是库自带的

华北科技学院 · 2016-2-12 12:21:19

感谢
感谢

谢谢

1653300361.457100 · 2016-2-24 08:34:31

IOR_8DIRECT哪里来的

姚先生 · 2016-2-25 23:22:49

谢谢楼主分享，收藏了

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