基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐加彥，張之萬，陳興林，張廣瑩

（哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，哈爾濱 150001）

光刻機作為集成電路芯片的制造設(shè)備，是超高精度的控制系統(tǒng)。國家在2006年十二五規(guī)劃發(fā)布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中將“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”明確為重大專項。通過這一專項的實施，攻關(guān)60 nm光刻機的關(guān)鍵技術(shù)，為下一步研制更高分辨率光刻機打下堅實基礎(chǔ)。在光刻機控制系統(tǒng)中，其環(huán)境因素，如溫度、濕度等對高精度的控制有著重要的影響[1]。因此需實時反饋溫度、濕度等環(huán)境因素。多通道AD采樣系統(tǒng)作為光刻機信號采集板卡的核心部分，其采樣速度、精度對提高整個光刻機控制系統(tǒng)的精度有著重要影響[2]。

有限狀態(tài)機FSM（finite-state machine）又稱有限狀態(tài)自動機，簡稱狀態(tài)機，是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學模型。它可應(yīng)用在硬件電路系統(tǒng)設(shè)計、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。就其速度而言，F(xiàn)SM并行同步完成許多運算和控制操作。這樣，由狀態(tài)機構(gòu)成的硬件系統(tǒng)比對應(yīng)的CPU所能完成同樣功能的軟件系統(tǒng)的工作速度要高出3～5個數(shù)量級。因此在超高速串行或并行AD、DA器件的控制，硬件并行通信模塊RS232等實現(xiàn)有著廣泛的應(yīng)用[3]。

本文采用AD7606作為采樣芯片，設(shè)計采樣電路，并充分利用狀態(tài)機高速性、穩(wěn)定性、高效性的特點，采用FPGA作為可編程邏輯器件，設(shè)計采樣芯片的控制時序和讀寫時序。傳統(tǒng)的采樣系統(tǒng)使用UART方式傳輸采樣結(jié)果，處理器需采用中斷方式或查詢方式讀取采樣結(jié)果，占用了處理器資源。本文將采樣結(jié)果實時儲存在雙口RAM里，處理器可實時讀取采樣結(jié)果，不占用處理器資源，提高了處理器的效率。實驗表明，穩(wěn)定性和控制性能良好。

1 總體設(shè)計框架

高速多通道AD采樣控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，信號采集板卡采用雷莫頭接口的方式同外界模擬信號相連接，其抗干擾、穩(wěn)定性強。AD4505功放模塊作為外界模擬輸入信號和AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的隔離芯片，避免外界輸入的模擬電壓過大而導(dǎo)致燒毀AD芯片。AD采樣芯片采用AD7606作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有8通道同時采樣，16位輸出的特點，是一款高分辨率、雙極性輸入、同步采樣的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。采用Altera公司的EP2C35F672可編程邏輯控制器件對AD7606進行時序控制。并在FPGA里設(shè)置一塊雙口RAM，存儲AD7606的數(shù)字輸出結(jié)果。DSP作為信號采集板卡的主控處理器，可任意時刻讀取雙口RAM里的采樣數(shù)據(jù)。

圖1 采樣控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of sampling control system

2 FPGA控制AD7606的軟件實現(xiàn)

2.1 AD7606的硬件電路圖

AD7606是AD公司生產(chǎn)的一款高分辨率、雙極性輸入、多通道同步采樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)置二階抗混疊模擬濾波器對輸入信號進行濾波，內(nèi)置數(shù)字濾波器，提供過采樣功能；可以靈活地實現(xiàn)并行/串行輸出；本課題設(shè)計的AD7606采用并行輸出方式。通過FPGA硬件，采用狀態(tài)機的編程方式，實現(xiàn)對AD7606的時序控制。

2.2 有限狀態(tài)機

圖2為有限狀態(tài)機模型，下一個狀態(tài)和輸出由當前狀態(tài)和輸入所決定。有限狀態(tài)機數(shù)學模型為（Σ，Γ，S，s0，δ，ω）。 其中：Σ 是輸入字母表；Γ 是輸出字母表；S是狀態(tài)的集合；s0是初始狀態(tài)；δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；ω 是輸出函數(shù)。其中 δ：S×Σ→S ω：S×Σ→Γ。

圖2 有限狀態(tài)機模型Fig.2 Model of finite state machine

在數(shù)字電路中，狀態(tài)機可用可編程邏輯控制器件來建造，通過寄存器來儲存狀態(tài)變量，確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移的一塊組合邏輯和確定狀態(tài)機輸出的另一塊組合邏輯。

2.3 時序程序的設(shè)計

有限狀態(tài)機的設(shè)計對系統(tǒng)的高速性能、高可靠性、穩(wěn)定性都具有決定性作用。采用狀態(tài)機的形式，在每個狀態(tài)中，狀態(tài)機可并行同步完成許多運算和控制操作，相比于CPU按照指令逐條運行的方式，一般有狀態(tài)機構(gòu)成的硬件系統(tǒng)比對應(yīng)的CPU完成同樣功能的軟件系統(tǒng)的工作速度要高出3～5個數(shù)量級。在可靠性能方面，狀態(tài)機是在FPGA通過純硬件電路構(gòu)成，其運行不依賴軟件指令逐條執(zhí)行，因此不存在CPU運行軟件過程中的許多缺陷[3]。

如圖3所示為采用狀態(tài)機形式的結(jié)構(gòu)框圖，程序分為寫配置模塊和讀取數(shù)據(jù)模塊2個模塊。

圖3 采樣狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the sampling state machine

在寫配置模塊里配置AD7602的控制信號，比如串行模式/并行模式的選擇，輸入電壓的范圍、待機模式還是省電模式，過采樣倍率的倍數(shù)等。

讀取數(shù)據(jù)模塊是整個采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用狀態(tài)機的形式，設(shè)置CS和RD信號線的時序。程序要根據(jù)BUSY信號產(chǎn)生中斷信號，來確定轉(zhuǎn)換是否完成。

根據(jù)AD7606的工作原理和寫時序，設(shè)計接口邏輯模塊，圖4為狀態(tài)機輪轉(zhuǎn)狀態(tài)圖。

圖4 狀態(tài)機輪轉(zhuǎn)狀態(tài)圖Fig.4 State machine cycle state diagram

AD7606轉(zhuǎn)換控制信號為CONVSTA和CONVSTB。 CONVSTA 控制 V1，V2，V3，V4 通道，CONVSTB 控制 V5，V6，V7，V8 轉(zhuǎn)換通道，本文將 CONVSTA和CONVSTB短接在一起，8通道同時轉(zhuǎn)換。S0是空閑狀態(tài)，CS為高電平，RD為高電平；通過邊沿檢測是否有BUSY信號，若有則進入S1狀態(tài)，否則等待。由于等待CS穩(wěn)定下來（CS到RD設(shè)置時間t8），需要插上延時狀態(tài) S2，到 S3 穩(wěn)定，在 S4，S5 狀態(tài)將RD拉低，讀取第一通道V1的轉(zhuǎn)換結(jié)果，之后依次重復(fù)7個脈沖序列，可使各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果按升序逐個輸出到并行總線DB[15：0]上，在狀態(tài)機里可方便地設(shè)置各種狀態(tài)。

圖5為程序框圖，通過Verilog HDL硬件語言，基于狀態(tài)機的思想，通過硬件實現(xiàn)對采樣芯片的控制時序和讀取時序，并將讀取的數(shù)據(jù)實時存儲在雙口RAM里，這樣DSP可實時讀取RAM里的數(shù)據(jù)，和通過中斷方式或者查詢方式讀取采樣數(shù)據(jù)相比，減小了對DSP資源的占用，提高了DSP的效率。硬件的兩部分：控制時序和讀取時序并行執(zhí)行。在控制時序和讀取時序中通過狀態(tài)機方式并行執(zhí)行程序，提高了采樣速率和穩(wěn)定性。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

3 結(jié)果測試

3.1 多通道采樣系統(tǒng)的實時采樣測試

通過邏輯探測儀實時測量的數(shù)據(jù)，給定第二通道3.3 V的電壓，其他通道給定0 V電壓，測得的信號如圖6、圖7所示。

圖6 AD7606控制時序結(jié)果圖Fig.6 Figure of control timing results

圖7 AD7606讀輸出結(jié)果圖Fig.7 Figure of reading the output

AD7606的輸出編碼方式為二進制補碼，傳遞函數(shù)為：CODE=

當?shù)诙ǖ垒斎?.3 V時，理論值為2A3Dh；圖7所示實際值為28E7h，對應(yīng)3.195 V，存在一定誤差，是因為施加的激勵電源有一定的諧波，采樣系統(tǒng)采集了此時波形。 FDB7h，F(xiàn)D7Eh，F(xiàn)E27h，F(xiàn)E17h，F(xiàn)CEFh，F(xiàn)F0Fh，分別對應(yīng)實際值為-0.17 V，-0.18 V，-0.144 V，-0.148 V，-0.21 V，-0.07 V。

通過實驗實時測量表明，通過狀態(tài)機編寫的對AD7606實現(xiàn)時序邏輯控制的硬件電路，其實驗結(jié)果如圖6、圖7所示，和AD7606芯片手冊上的讀寫時序圖一致，表明實驗結(jié)果準確。

3.2 采樣系統(tǒng)準確率測試

實驗采用Altera公司EP2C35F672型FPGA作為可編程邏輯控件，TI公司的TMS320F2812作為處理器[4]，設(shè)計的采樣系統(tǒng)其采樣周期為4 μs。如圖8所示采用Tektronixs公司的AFG3052C型波形發(fā)生器產(chǎn)生幅值為-10 V～+10 V，周期為4 ms的鋸齒波形。在FPGA里按照時序依次存儲100個AD采樣輸出結(jié)果于雙口RAM里。通過DSP讀取雙口RAM數(shù)據(jù)，在軟件程序里將數(shù)據(jù)保存，然后通過Matlab軟件繪出曲線[5]和理論值比較，其結(jié)果如圖9所示。

圖8 實驗采樣的鋸齒波Fig.8 Experimental sampled waveform

圖9 采樣系統(tǒng)的輸出結(jié)果Fig.9 Output of the sampling system

通過實驗表明，采樣系統(tǒng)采樣的結(jié)果和理論值誤差很小，最大誤差為0.1%，整體采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性、誤差性達到要求[6]。

4 結(jié)語

本文利用狀態(tài)機在高速、高可靠性、穩(wěn)定性方面的特點，采用FPGA作為可編程邏輯控件，以狀態(tài)機的形式，編程設(shè)計多通道高速AD采樣系統(tǒng)的控制時序和讀寫時序。將采樣結(jié)果實時存儲在雙口RAM里，這樣處理器可實時讀取采樣結(jié)果，相比于通過UART方式傳輸采樣結(jié)果給處理器，處理器采用SCI串口中斷方式讀取采樣結(jié)果，本文設(shè)計的采樣系統(tǒng)減少了對處理器資源的占用。對提高處理器的效率具有很大意義。實驗表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高速型、誤差均達到要求，具有很強的工程實用價值。

[1]Boonman M，van de Vin C，Tempelaars S，et al.The performance advantages of a dual stage system[J].SPIE，2004，5377：742-757.

[2] 谷林.光刻機工件臺和掩膜臺同步控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[3] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與Verilog HDL[M].2版.北京：清華大學出版社，2010.

[4] 蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281xDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5] 王正林，王勝開.MATALAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 齊紅濤，蘇濤.基于FPGA的高速AD采樣設(shè)計[J].航空兵器，2010（1）：35-39.