基于SOPC的信號測量裝置設(shè)計與實踐

陳 亮

(福州理工學院 計算與信息科學學院, 福州 350506)

“SOPC系統(tǒng)設(shè)計”是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)必修課，是以“EDA技術(shù)”課程和“SOPC設(shè)計技術(shù)”課程為理論基礎(chǔ)，是工程性、實踐性非常強的一門綜合性實踐課程[1]。目前我校電子類專業(yè)在該課程教學中，課程設(shè)計環(huán)節(jié)存在以下幾個問題:

(1) 學生對先導課程基礎(chǔ)知識掌握并不全面，在課程設(shè)計前期，學生不知如何篩選相應課程理論知識，對知識進行綜合利用，以指導課程設(shè)計實踐。

(2) 課程設(shè)計安排學時有限，學生在電路板制作過程容易耗費大量時間，同時由于所需耗材購買數(shù)量有限，學生容易在更換器件中受到限制，導致課程設(shè)計實踐中斷等待。

(3) 根據(jù)應用型本科院校的特點，課程設(shè)計更傾向通過一個完整的項目實踐過程，培養(yǎng)學生的動手能力和團隊協(xié)助能力[3]。實踐內(nèi)容過于理論化，脫離實際的實踐項目，學生時常會對課程設(shè)計感到厭倦，無法提起學生參與實踐的積極性和榮譽感。

針對以上問題，如果學生在實踐課程中仍然采用傳統(tǒng)的課程設(shè)計方式，就會出現(xiàn)課程周期無法把握、耗時耗力、學生積極性不高等現(xiàn)象。本課程設(shè)計以電子類專業(yè)學生經(jīng)常涉及的信號頻率測量裝置為切入點，通過硬件軟件化的設(shè)計思想，將FPGA和SOPC相結(jié)合，僅需A/D轉(zhuǎn)換由硬件設(shè)計，其余功能由軟件實現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的設(shè)計方案，在保證完整的項目功能下，降低學生實踐的試錯成本、減少耗材的需求、加快設(shè)計的流程。通過迭代式、分模塊、分步驟的教學方法，逐步指導學生完成相關(guān)實踐內(nèi)容。以此加強學生對EDA數(shù)字邏輯電路設(shè)計和SOPC設(shè)計技術(shù)的充分理解、培養(yǎng)學生運用綜合知識的能力、提升學生的實際設(shè)計和具體項目工程的調(diào)試能力。

1 信號測量裝置設(shè)計與任務(wù)

1.1 設(shè)計任務(wù)

設(shè)計一個用SOPC作為嵌入式系統(tǒng)的頻率測量裝置，要求如下:

(1)以Microblaze處理器為核心的SOPC嵌入式系統(tǒng)，支持UART和GPIO外設(shè)；

(3)輸入的信號幅度為-5～5 v，信號頻率為1 Hz～1 kHz；

(4)實現(xiàn)波形整形電路和等精度測量法，測量精度為0.1 Hz；

(5)GPIO模擬設(shè)備輸入操作，UART模擬設(shè)備顯示功能；

(6)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9280的邏輯控制功能和電路調(diào)試。

1.2 設(shè)計步驟

(1)明確設(shè)計目標，設(shè)計系統(tǒng)總框圖及各模塊分圖結(jié)構(gòu)；

(2)模塊電路圖設(shè)計，逐步指導各個組成部分詳細設(shè)計說明；

(3)軟件流程圖設(shè)計，編寫軟件代碼，注重注釋說明；

(4)Verilog代碼設(shè)計，仿真驗證，根據(jù)仿真結(jié)果迭代到滿足設(shè)計要求；

鉛鋅礦體礦石中的主要金屬礦物是方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、黃鐵礦、少量輝銀礦、菱鐵礦、銀金礦等，脈石礦物主要有陽起石，少量方解石、石英等。

(5)下載bit文件，調(diào)試AD數(shù)模轉(zhuǎn)換電路板，迭代調(diào)試直至完成所有指標；

(6)撰寫設(shè)計報告。

1.3 課程設(shè)計安排

對于該教學實例，采用96課時，4周的集中實訓授課模式。學生采取類似全國大學生電子設(shè)計大賽的模式，兩個學生自行組織小組共同完成教學實例。在實踐過程中，采取部件-模塊-調(diào)試-集成-總調(diào)試的進展過程指導學生逐項完成設(shè)計指標，最后根據(jù)學生每個階段的實踐情況和設(shè)計任務(wù)指標的完成情況進行打分，并配合最后的設(shè)計報告，確定學生總的課程完成質(zhì)量分數(shù)。

2 主要功能模塊設(shè)計

圖1所示為信號測量裝置系統(tǒng)框圖。為防止待測周期信號幅度太大損壞器件，待測周期信號經(jīng)過信號衰減電路并通過AGC(增益自動控制)電路控制，將信號轉(zhuǎn)換為合適的電壓幅度(0-2 V)。 高速AD芯片AD9280直接對該信號進行采集處理，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)保存到片內(nèi)存儲器。同時FPGA對采集的信號進行幅度的處理，以及對采集的信號進行脈沖整形完成頻率測量，并以自定義IP的方式通過AXI總線接入Microblaze的SOPC系統(tǒng)中，SOPC系統(tǒng)通過串口UART對測量結(jié)果進行顯示。

圖1 信號測量裝置系統(tǒng)框圖

2.1 A/D硬件設(shè)計

信號測量裝置的硬件電路設(shè)計，主要是A/D電路的硬件設(shè)計。而待測周期信號的波形整形硬件電路，則采用硬件軟件化的設(shè)計思想，用FPGA來實現(xiàn)，從而簡化平臺系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計[4]。

A/D電路主要由高速A/D芯片(AD9280)，衰減電路和信號輸入接口組成。衰減電路采用AD8056和TL072構(gòu)成。待測量周期信號的輸入范圍為-5 V ～+5 V(10 Vpp),衰減之后，輸入范圍滿足A/D芯片的輸入范圍(0～2 V)。A/D轉(zhuǎn)換公式如下:當輸入信號Vin=5 V的時候，輸入到A/D芯片的信號VAD=2 V；當輸入信號Vin=-5 V的時候，輸入到A/D芯片的信號VAD=0 V。

(1)

高速A/D芯片采用ADI公司推出的AD9280芯片，該芯片是一款單通道，8位數(shù)據(jù)精度，32 MSPS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。芯片采用單電源的供電模式，同時內(nèi)置了采樣保持放大器和基準電壓源，外圍電路簡潔。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 AD9280電路原理圖

2.2 SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

Microblaze嵌入式處理器是Xilinx公司優(yōu)化過的可以嵌入到FPGA中的RISC處理器軟核，具有運行速度快、占用資源少、可擴展性強、靈活性高等優(yōu)點[5]?；贛icroblaze處理器的SOPC系統(tǒng)平臺如圖3所示:該設(shè)計為一個完整的SOPC系統(tǒng)。SOPC系統(tǒng)主控嵌入式處理器為32位的Microblaze處理器，該處理器通過32位的AXI系統(tǒng)互連總線和其它模塊進行連接。RAM模塊為運行Microblaze的片上緩存，用于存放相關(guān)變量和軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有低延時高訪問效率等特點。UART串口模塊用于SOPC系統(tǒng)和PC機連接，將信號測量的結(jié)果打印輸出，同時可用于軟件調(diào)試信息輸出。

圖3 基于Microblaze的SOPC系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 自定義IP設(shè)計

待測量周期信號的采集和測量功能采用硬件軟件化的設(shè)計思想，使用Verilog語言編寫，采用FPGA來實現(xiàn)。同時通過Xilinx公司的IP封裝技術(shù)，將其封裝為自定義的IP，便于IP的靈活復用和知識產(chǎn)權(quán)的保護[6]。

自定義信號采集IP的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示:該IP主要包含AXI總線接口模塊、自定義信號采集IP寄存器模塊、高速AD控制器模塊、數(shù)字中值濾波模塊、施密特比較器模塊、等精度測量模塊和信號采集RAM模塊。Microblaze處理器通過自定義信號采集IP寄存器模塊，實現(xiàn)對IP的控制操作，同時讀取測量信號的頻率，幅度和采集的波形數(shù)據(jù)等信息。

在濾波之后，采集的AD數(shù)據(jù)分為兩路，一路經(jīng)過施密特觸發(fā)器模塊，將待測量的周期波形變?yōu)榫匦尾ǖ闹芷谛盘枺缓筮M入等精度測量模塊，完成對頻率的測量。另外一路，通過零點比較電路，完成零點脈沖的產(chǎn)生，從而能夠精確的采集到一個完整周期的待測量周期信號。

圖4 自定義信號采集IP的整體架構(gòu)

2.4 實現(xiàn)與仿真

自定義信號采集IP通過Verilog硬件描述語言來實現(xiàn)，采用自頂向下的設(shè)計方法，分模塊設(shè)計，并通過Modelsim仿真驗證的正確性。如圖5所示，為自定義信號采集IP的功能驗證仿真。經(jīng)過施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的待測量脈沖信號square，進入等精度測量模塊。在門控信號的控制下，啟動cnt計數(shù)器進行計數(shù)，進行信號頻率的測量。

圖5 自定義信號采集IP的仿真波形

自定義IP經(jīng)過Modelsim仿真工具驗證其功能正確性之后，采用Xilinx公司的Vivado工具，對IP進行封裝，通過SOPC的設(shè)計方法，構(gòu)建基于Microblaze的完整SOPC系統(tǒng)。如圖6所示，為系統(tǒng)平臺的SOPC設(shè)計。通過Xilinx公司SDK軟件開發(fā)平臺，通過軟件的方法，實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的IP初始化，控制自定義IP進行待測量信號的測量和采集功能。

圖6 系統(tǒng)平臺SOPC設(shè)計

3 結(jié)語

“SOPC系統(tǒng)設(shè)計”課程是繼“EDA技術(shù)”和“SOPC設(shè)計技術(shù)”之后的一門綜合性實踐教學課程。本課程通過結(jié)合EDA/SOPC相關(guān)課程知識點，逐步指導學生掌握AD電路板、Microblaze處理器和自定義IP核設(shè)計方法，完整實現(xiàn)一個信號測量裝置的電子產(chǎn)品。通過硬件軟件化的方法，解決學生在電路板和耗材損耗等方面的問題，通過仿真的方法，學生可以快速反饋設(shè)計模塊的結(jié)果，通過迭代式的工程實踐方法，調(diào)整設(shè)計直到達到實踐預期的功能指標。讓學生掌握實際工程的開發(fā)流程，使學生對真實的電子產(chǎn)品開發(fā)有一個較為全面的了解。

該綜合實踐不僅提高了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的綜合知識運用能力，還可以激發(fā)學生積極、主動地參與整個實踐環(huán)節(jié)，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力。