摘 要： 以Altera" title="Altera">Altera公司的EP1C12芯片為SOPC系統(tǒng)的載體,，介紹了基于嵌入式軟核處理器Nios II的DDS任意波形發(fā)生器" title="波形發(fā)生器">波形發(fā)生器的設(shè)計和實現(xiàn),。
關(guān)鍵詞： 任意波形發(fā)生器 直接數(shù)字頻率合成" title="直接數(shù)字頻率合成">直接數(shù)字頻率合成 可編程片上系統(tǒng)
目前，基于直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis) 技術(shù)的任意波形發(fā)生器在設(shè)計上多采用FPGA" title="FPGA">FPGA結(jié)合微處理器的形式,。DDS部分功能由FPGA來實現(xiàn),，微處理器芯片用于完成控制功能，這種結(jié)構(gòu)電路復(fù)雜,，開發(fā)周期長,，系統(tǒng)的軟硬件升級也存在困難。SOPC技術(shù)基于FPGA芯片,，將處理器,、存儲器、I/O等系統(tǒng)設(shè)計需要的模塊集成到一起,，軟硬件可剪裁,，并具備在系統(tǒng)可編程的功能。本文基于SOPC技術(shù),把DDS 模塊和微處理器控制部分集成到單片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部,大大減化了系統(tǒng)電路,提高了集成度,。
1 基于DDS的任意波形發(fā)生器組成原理
DDS技術(shù)建立在采樣定理的基礎(chǔ)上,，其基本原理如圖1所示，主要由相位累加器,、波形ROM,、DAC以及低通濾波器等組成。N位相位累加器在取樣時鐘的控制下與頻率控制字K所決定的相位增量相加,；相位累加器的高位輸出作為波形ROM的地址,，實現(xiàn)波形相位到幅值的轉(zhuǎn)換；波形數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量,，通過濾波器輸出相對平滑的波形,。輸出頻率fout與時鐘頻率fclk、相位累加器的位數(shù)N及頻率控制字K的關(guān)系為fout=K×fclk/2N,。
用DDS實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的途徑是把存放波形量化表的ROM換成可以改寫的RAM,，利用上位機生成所需波形的數(shù)據(jù)來改變存放在波形RAM中的數(shù)據(jù)，再由DDS系統(tǒng)將波形合成出來,就可以產(chǎn)生出所需的任意波形,。
2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計
本系統(tǒng)的功能要求是：接收從上位機傳來的控制信息和數(shù)據(jù)（包括給定的波形,、頻率,、初相位和幅值信息），然后經(jīng)DDS 輸出相應(yīng)參數(shù)的波形,。系統(tǒng)通過這種方式可輸出規(guī)則波形及任意波,。在輸出波形的同時，可以從上位機對波形參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整,。頻率調(diào)制的范圍是0.1Hz～2.5MHz,，調(diào)頻步長為0.1Hz。輸出幅度范圍：-10V～+10V,。
根據(jù)功能將系統(tǒng)分為控制部分,、波形產(chǎn)生部分以及通信部分?？刂撇糠止δ苤饕汕度隖PGA內(nèi)部的軟核處理器Nios II來完成,，同時在FPGA剩余的邏輯單元上設(shè)計DDS主通道部分，實現(xiàn)波形生成,。Nios II的UART IP實現(xiàn)與上位機的波形數(shù)據(jù)傳輸,。
系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，選用了Altera公司Cyclone系列FPGA,，型號為EP1C12,，有高達(dá)20 060個邏輯單元和288Kbit的RAM。它提供了全功能的鎖相環(huán)（PLL）,，Altera的Nios II嵌入式處理器的IP資源可以用于Cyclone系列FPGA的開發(fā),。Nios II系統(tǒng)通過串口與其他RS232設(shè)備相連，要遵循RS232C標(biāo)準(zhǔn)中定義的電平規(guī)范,，不能直接使用FPGA I/O端口上的LVTTL（一般為3.3V）電平,，需要有電平轉(zhuǎn)換芯片來完成從LVTTL電平到RS232C電平的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換芯片采用了SP3232ECA芯片,。D/A轉(zhuǎn)換部分電路如圖3所示,，由AD768芯片結(jié)合起緩沖作用的AD811來完成。為了達(dá)到最終±10V的輸出電壓,，在AD811的輸出端添加了功放芯片LM318D進(jìn)行電壓放大,。
在PCB板的設(shè)計中，采用核心板加底板的設(shè)計方案,，這種模塊化的設(shè)計為以后板子的安裝,、調(diào)試與檢修等提供了方便。
3 FPGA芯片中Nios II系統(tǒng)硬件部分的構(gòu)建
FPGA芯片總體設(shè)計如圖4所示,。根據(jù)所設(shè)計的任意波形發(fā)生器的要求,，在Quartus II的SOPC Builder中構(gòu)建Nios II系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以下組件：
(1)Nios II標(biāo)準(zhǔn)型內(nèi)核,。不選用硬件乘法器,，指令緩存為4KB,，選用level 1的調(diào)試模式。這種內(nèi)核約占1 200個LE（邏輯單元）,。
(2)PIO接口,。系統(tǒng)中為Nios II處理器共設(shè)計了三個PIO接口：PIO_fkey、PIO_pkey,、PIO_sel,。其中，PIO_fkey作為Nios II處理器從上位機獲得的頻率控制字到DDS的接口,，設(shè)計為28位,；PIO_pkey為相位控制字接口,，設(shè)計為10位,；3位的 PIO_sel接口作為多路選擇器的控制信號用。
(3)顯示與鍵盤,。LCD控制器使用Nios II提供的IP Core,；鍵盤接口使用基于Alvon總線的自定義接口。
另外,，還需要添加SDRAM控制器,、FLASH控制器、Avalon三態(tài)總線橋,、JTAG UART core（提供給主機通過FPGA上的JTAG管腳訪問芯片的功能）,、UART接口控制器（使用時，在彈出的對話框中需設(shè)置好波特率,、數(shù)據(jù)位等參數(shù)）,、timer_0計時器、system ID和用戶邏輯接口（實現(xiàn)Nios II與片上RAM的通信）,。
在FPGA的剩余LE上,，還需用Verilog語言編程實現(xiàn)DDS部分的電路。DDS模塊在傳統(tǒng)的DDS結(jié)構(gòu)之上進(jìn)行了改進(jìn),，使用了雙端口RAM以達(dá)到波形的過零切換,，使得任意波形發(fā)生器可以使用在一些要求苛刻的場合。改進(jìn)后的DDS模塊包含相位累加器,、波形存儲RAM 和D/A等幾個部分,。DDS用Verilog HDL實現(xiàn)之后的仿真結(jié)果如圖5所示。
整個SOPC系統(tǒng)的片上硬件構(gòu)建完成后,，在Quartus II中對頂層設(shè)計進(jìn)行編譯,，編譯的結(jié)果如圖6所示，從使用情況可以看出選用的FPGA芯片是非常合理的,，既滿足了當(dāng)前的需要,，又有一定的冗余,，為系統(tǒng)以后的升級提供了條件。
4 任意波形發(fā)生器系統(tǒng)軟件的設(shè)計
整個DDS任意波形發(fā)生器的軟件包括兩個部分：下位機的運行于Nios II系統(tǒng)上基于功能實現(xiàn)的軟件,；上位機運行的基于儀器操作的人機界面的軟件,。
下位機的軟件開發(fā)使用Altera公司的Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境。Nios II IDE是Nios II系列嵌入式處理器的主要軟件開發(fā)工具,。用戶可以在Nios II IDE中完成所有的軟件開發(fā)任務(wù),，如編輯、編譯,、下載,、調(diào)試和閃存編程。
下位機程序流程如圖7所示,。上電以后,，進(jìn)行系統(tǒng)各部分的初始化，然后等待從上位機串口發(fā)來的信息,，Nios II處理器在收到消息之后,，產(chǎn)生串口中斷，將收到的數(shù)據(jù)依次放入緩沖區(qū),，之后要對收到的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和解釋工作,，并根據(jù)發(fā)來的命令調(diào)用相應(yīng)的功能子程序，最終將數(shù)據(jù)送往D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。串口中斷程序主要完成串口的中斷響應(yīng),，將串口接收寄存器的數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)，并修改緩沖區(qū)的指針,，同時如果發(fā)送緩沖區(qū)中有待發(fā)送數(shù)據(jù),，而發(fā)送寄存器又為空的話，就發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù),。串口處理和解釋程序主要根據(jù)協(xié)議內(nèi)容對緩沖區(qū)中接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,，如果是起始碼，則將其后的數(shù)據(jù)認(rèn)為是命令碼,，命令碼后的數(shù)據(jù)為命令參數(shù),，然后再根據(jù)命令碼的具體形式，依據(jù)制定的協(xié)議執(zhí)行相應(yīng)的代碼,，完成來自上位機的命令,。
上位機軟件的開發(fā)環(huán)境采用NI（美國國家儀器公司）的LabVIEW 8.0。根據(jù)上位機所要完成的任務(wù),，采用LabVIEW 8.0設(shè)計了兩種控制界面,，一種用于以公式形式的波形輸入，用戶直接輸入波形公式，系統(tǒng)采集相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)點,，通過串口送入下位機,，同時可以在控制面板上進(jìn)行波形參數(shù)的調(diào)節(jié)。使用公式輸出用戶需要的波形,，雖然波形非常精確,，但卻不能囊括現(xiàn)實世界中遇到的一些無法用公式來表達(dá)的波形，為彌補使用公式輸出的缺憾,，設(shè)計了另一種采用鼠標(biāo)繪制波形的方式,，用戶移動鼠標(biāo)可繪制出自己需要的任意波形，系統(tǒng)采集相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)點,，通過串口送入下位機中,。兩種控制界面分別如圖8、圖9所示,。
5 試驗結(jié)果
圖10(a)為正弦波的輸出波形,，頻率為100Hz， 圖10 (b)波形頻率為1MHz,。兩個波形的輸出幅度給定值均為-1V～+1V,。試驗表明,，輸出正弦波的幅度誤差很小,，基本上在±1.5％左右。圖10(c),、圖10（d)分別為利用公式輸入面板和鼠標(biāo)輸入面板得到的波形,。
試驗結(jié)果表明，對于從上位機輸入的公式形式的波形,，系統(tǒng)可以進(jìn)行精確的輸出,。利用鼠標(biāo)輸入面板得到的任意波形輸出失真較小，波形質(zhì)量較好,。
本文采用SOPC技術(shù)將任意波形發(fā)生器的DDS模塊與控制模塊集成到單片F(xiàn)PGA芯片中,。結(jié)果表明，設(shè)計的任意波形發(fā)生器實現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的功能,，技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了要求,。因此，在單片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)任意波形發(fā)生器是可行的,。與傳統(tǒng)的采用控制器與FPGA結(jié)合的設(shè)計方法相比,，它有效地簡化了系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，提高了集成度,。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘松,，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-328.
[2] 吳繼華,，王城. Altera FPGA/CPLD 設(shè)計（基礎(chǔ)篇）[M].北京：人民郵電出版社,，2005：1-236.
[3] 張福貴，姚振東.基于DDS的高性能信號發(fā)生器的實現(xiàn)[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報,，2006,，21(1)：12-17.
[4] 崔建鵬，趙敏,，江帆.采用DDS 技術(shù)實現(xiàn)的虛擬任意波形發(fā)生器[J].計算機測量與控制,，2003，11(7)：533-555.