作者：詹必勝；吳斌方；楊光友 來(lái)源：電子產(chǎn)品世界

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，FPGA和DSP以及ARM以其體積小、速度快、功耗低、設(shè)計(jì)靈活、利于系統(tǒng)集成、擴(kuò)展升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高速數(shù)字信號(hào)傳輸及數(shù)據(jù)處理，以DSP+FPGA+ARM的架構(gòu)組成滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的高速數(shù)字處理系統(tǒng)已成為一種趨勢(shì)，本文主要研究FPGA在高速多路數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在DSP多路串行數(shù)據(jù)同時(shí)向ARM發(fā)送的系統(tǒng)中，因?yàn)閿?shù)據(jù)通道有并行要求，應(yīng)用FPGA硬件并行的特點(diǎn)，由FPGA并行接收多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)緩沖后再發(fā)送至ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)的高級(jí)處理的方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

FPGA處理模塊實(shí)現(xiàn)

DSP的串口傳輸方式為同步串口，每組DSP串口有4個(gè)端口，分別為：clk ， frame. ， data_a，data_b［3］。數(shù)據(jù)端口有兩個(gè)，本例中只使能data_a，以下統(tǒng)一稱(chēng)為data。

DSP同步串口傳輸時(shí)序如圖2所示，當(dāng)frame為1時(shí)，串行數(shù)據(jù)有效，當(dāng)frame為0時(shí)，一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。本例中DSP傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)為32bit。

圖2 DSP同步串口傳輸時(shí)序圖

FPGA內(nèi)部采用異步FIFO解決DSP時(shí)鐘頻率和FPGA時(shí)鐘頻率不匹配的問(wèn)題，寫(xiě)時(shí)鐘由DSP輸出的同步時(shí)鐘信號(hào)提供，時(shí)鐘頻率為60MHz;讀時(shí)鐘由FPGA的鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘提供，PLL輸出時(shí)鐘頻率為100MHz。

接收模塊

由于DSP的8個(gè)同步串口同時(shí)寫(xiě)入，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)接收模塊一共有8個(gè)，每個(gè)模塊接收到的數(shù)據(jù)都存放在一個(gè)特定的FIFO中，將其稱(chēng)之為R_FIFO。

DSP輸出信號(hào)為frame，clk， data，F(xiàn)PGA以DSP同步串口的輸出時(shí)鐘clk作為采集數(shù)據(jù)的時(shí)鐘。系統(tǒng)上電結(jié)束后，F(xiàn)PGA等待ARM發(fā)送接收允許指令，接收允許后，F(xiàn)PGA就可以開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)frame信號(hào)為高，F(xiàn)PGA即開(kāi)始接收從DSP發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，在每個(gè)dsp_clk的上升沿讀取一個(gè)bit的數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入移位寄存器中。FPGA引入一個(gè)模塊，時(shí)刻監(jiān)測(cè)frame的下降沿，當(dāng)frame下降時(shí)，即表示一個(gè)字的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，移位寄存器的數(shù)據(jù)放入R_FIFO的數(shù)據(jù)輸入口，將R_FIFO的寫(xiě)使能置高，向R_FIFO發(fā)出寫(xiě)入請(qǐng)求，寫(xiě)入此時(shí)的數(shù)據(jù)至R_FIFO中，依次循環(huán)。當(dāng)R_FIFO中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不為0時(shí)，即向FPGA的發(fā)送模塊發(fā)送請(qǐng)求。

發(fā)送模塊

接收模塊接收到DSP同步串口數(shù)據(jù)后，即通過(guò)reg與answer信號(hào)與FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖3所示。

圖3 FPGA接收及發(fā)送模塊

當(dāng)接收模塊有請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送模塊即將接收模塊采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送模塊的緩存FIFO中，將其稱(chēng)之為S_FIFO。每輪從R_FIFO中傳輸?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)均依次存入S_FIFO中。

因?yàn)镈SP的8個(gè)同步串口均同時(shí)工作，可以認(rèn)為當(dāng)有一個(gè)輸入模塊的數(shù)據(jù)接收完畢時(shí)，8個(gè)端口的數(shù)據(jù)均應(yīng)該接收完畢，保險(xiǎn)起見(jiàn)，可以延時(shí)若干時(shí)鐘周期后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。從端口0至端口7為一輪，若此時(shí)有端口沒(méi)有數(shù)據(jù)，即可認(rèn)為此端口暫無(wú)數(shù)據(jù)輸出，用數(shù)據(jù)0替代，發(fā)送模塊繼續(xù)接收下一個(gè)端口的數(shù)據(jù)。用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，如圖4所示。

圖4 S_FIFO寫(xiě)操作的狀態(tài)機(jī)圖

發(fā)送模塊完成FPGA向ARM的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)FPGA發(fā)送模塊S_FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，F(xiàn)PGA即向ARM發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，ARM即開(kāi)始對(duì)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

FPGA中的S_FIFO同樣也是異步FIFO。寫(xiě)時(shí)鐘由鎖相環(huán)提供100MHz;讀時(shí)鐘由ARM的讀取使能信號(hào)OE取反得到，讀使能由ARM的片選信號(hào)NGCS取反得到。ARM讀取數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生NGCS與OE低電平信號(hào)，無(wú)操作時(shí)置高。每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)NGCS與OE先后置低，取反接至S_FIFO讀端口分別為NGCS_N與OE_N。對(duì)S_FIFO讀取時(shí)，每當(dāng)讀時(shí)鐘OE_N為上升沿，讀使能NGCS_N必為1，完成一次讀取操作。

這樣實(shí)現(xiàn)了ARM與FPGA之間的跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸。FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)采取乒乓操作， ARM可以源源不斷的將S_FIFO中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。FPGA和ARM的數(shù)據(jù)傳輸原理圖如圖5所示。

圖5 FPGA和ARM的數(shù)據(jù)傳輸

為驗(yàn)證各控制信號(hào)的時(shí)序邏輯，做如下仿真：FPGA接收及緩存數(shù)據(jù)。仿真的時(shí)序如圖6所示。data_temp0~data_temp7為接收模塊的移位寄存器，在frame的下降沿時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入各自的R_FIFO中;R_FIFO中的數(shù)據(jù)依次通過(guò)寄存器data_m寫(xiě)入S_FIFO中。8次寫(xiě)入后，一輪緩存即結(jié)束，等待下次請(qǐng)求。

圖6 FPGA接收及緩存數(shù)據(jù)時(shí)序仿真圖

信號(hào)抗干擾處理

在FPGA和ARM之間的通訊中利用差分信號(hào)傳輸用于消除信號(hào)的干擾。差分對(duì)是指兩條線(xiàn)路總是傳送相反的邏輯電平，差分對(duì)信號(hào)對(duì)外界干擾源產(chǎn)生的噪聲不敏感，例如電路板的干擾噪聲等。

如圖7所示［5］，IN引腳連接一個(gè)信號(hào)源，可以看到，對(duì)a噪聲毛刺不敏感，但是對(duì)于b噪聲毛刺，卻有可能使其誤認(rèn)為一個(gè)脈沖，而這個(gè)可能引起FPGA內(nèi)部的一些不期望的行為，如讀出一個(gè)錯(cuò)誤的值。

圖7 差分降噪處理原理

差分對(duì)中的兩個(gè)信號(hào)總是傳送互補(bǔ)的邏輯值，所以當(dāng)上圖中的IN_P為邏輯1時(shí)，IN_N則為邏輯0，反之亦然。并且布線(xiàn)時(shí)，差分對(duì)的兩條線(xiàn)路布線(xiàn)得非常的近，因此噪聲對(duì)他們的影響都是相同的。接收端只對(duì)兩個(gè)信號(hào)的差異感興趣，若兩個(gè)信號(hào)相同，則對(duì)此不敏感。

結(jié)語(yǔ)

利用DSP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力與FPGA優(yōu)越的硬線(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)相結(jié)合，保證了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精度要求，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，縮小系統(tǒng)體積，具有極高的性?xún)r(jià)比。系統(tǒng)的數(shù)字部分硬件采用Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，便于修改和升級(jí)，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用需求作靈活的改進(jìn)。本數(shù)據(jù)采集傳輸模塊已成功實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的應(yīng)用效果。

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