多路同步串口的FPGA传输实现 通道, 硬件

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随着集成电路技术的发展，FPGA和DSP以及ARM以其体积小、速度快、功耗低、设计灵活、利于系统集成、扩展升级等优点，被广泛地应用于高速数字信号传输及数据处理，以DSP+FPGA+ARM的架构组成满足实时性要求的高速数字处理系统已成为一种趋势，本文主要研究FPGA在高速多路数据传输中的应用。

　　系统结构


　　在DSP多路串行数据同时向ARM发送的系统中，因为数据通道有并行要求，应用FPGA硬件并行的特点，由FPGA并行接收多路数据，经过缓冲后再发送至ARM进行数据的高级处理的方案，系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

　　FPGA处理模块实现


　　DSP的串口传输方式为同步串口，每组DSP串口有4个端口，分别为:clk , frame , data_a，data_b[3]。数据端口有两个，本例中只使能data_a,以下统一称为data。

　　DSP同步串口传输时序如图2所示，当frame为1时，串行数据有效，当frame为0时，一帧数据传输结束。本例中DSP传输的一帧数据为32bit。

图2 DSP同步串口传输时序图

　　FPGA内部采用异步FIFO解决DSP时钟频率和FPGA时钟频率不匹配的问题，写时钟由DSP输出的同步时钟信号提供，时钟频率为60MHz;读时钟由FPGA的锁相环PLL时钟提供，PLL输出时钟频率为100MHz。

　　接收模块


　　由于DSP的8个同步串口同时写入，FPGA数据接收模块一共有8个，每个模块接收到的数据都存放在一个特定的FIFO中，将其称之为R_FIFO。

　　DSP输出信号为frame,clk, data，FPGA以DSP同步串口的输出时钟clk作为采集数据的时钟。系统上电结束后，FPGA等待ARM发送接收允许指令，接收允许后，FPGA就可以开始接收数据。

　　当frame信号为高，FPGA即开始接收从DSP发送的串行数据，在每个dsp_clk的上升沿读取一个bit的数据，之后将数据转入移位寄存器中。FPGA引入一个模块，时刻监测frame的下降沿，当frame下降时，即表示一个字的数据发送完毕，移位寄存器的数据放入R_FIFO的数据输入口，将R_FIFO的写使能置高，向R_FIFO发出写入请求，写入此时的数据至R_FIFO中，依次循环。当R_FIFO中的数据个数不为0时，即向FPGA的发送模块发送请求。

　　发送模块


　　接收模块接收到DSP同步串口数据后，即通过reg与answer信号与FPGA数据发送模块之间进行数据传输，如图3所示。

图3 FPGA接收及发送模块

　　当接收模块有请求时，发送模块即将接收模块采集到的数据写入发送模块的缓存FIFO中，将其称之为S_FIFO。每轮从R_FIFO中传输的8个数据均依次存入S_FIFO中。

　　因为DSP的8个同步串口均同时工作，可以认为当有一个输入模块的数据接收完毕时， 8个端口的数据均应该接收完毕，保险起见，可以延时若干时钟周期后开始接收数据。从端口0至端口7为一轮，若此时有端口没有数据，即可认为此端口暂无数据输出,用数据0替代，发送模块继续接收下一个端口的数据。用状态机来实现此功能，如图4所示。

图4 S_FIFO写操作的状态机图 发送模块完成FPGA向ARM的数据传输，当FPGA发送模块S_FIFO中的数据达到一定数量时，FPGA即向ARM发出发送数据请求，ARM即开始对FPGA进行数据的读取。 　　FPGA中的S_FIFO同样也是异步FIFO。写时钟由锁相环提供100MHz;读时钟由ARM的读取使能信号OE取反得到，读使能由ARM的片选信号NGCS取反得到。ARM读取数据会产生NGCS与OE低电平信号，无操作时置高。每次读取数据时NGCS与OE先后置低，取反接至S_FIFO读端口分别为NGCS_N与OE_N。对S_FIFO读取时，每当读时钟OE_N为上升沿，读使能NGCS_N必为1，完成一次读取操作。 　　这样实现了ARM与FPGA之间的跨时钟域数据传输。FPGA发送数据采取乒乓操作， ARM可以源源不断的将S_FIFO中的数据读取出来。FPGA和ARM的数据传输原理图如图5所示。 　图5 FPGA和ARM的数据传输 　 为验证各控制信号的时序逻辑，做如下仿真：FPGA接收及缓存数据。仿真的时序如图6所示。data_temp0~data_temp7 为接收模块的移位寄存器，在frame的下降沿时将数据写入各自的R_FIFO中;R_FIFO中的数据依次通过寄存器data_m写入S_FIFO中。8次写入后，一轮缓存即结束，等待下次请求。 　　图6 FPGA接收及缓存数据时序仿真图 　　信号抗干扰处理 　　在FPGA和ARM之间的通讯中利用差分信号传输用于消除信号的干扰。差分对是指两条线路总是传送相反的逻辑电平，差分对信号对外界干扰源产生的噪声不敏感，例如电路板的干扰噪声等。 　　如图7所示[5]，IN引脚连接一个信号源，可以看到，对a噪声毛刺不敏感，但是对于b噪声毛刺，却有可能使其误认为一个脉冲，而这个可能引起FPGA内部的一些不期望的行为，如读出一个错误的值。 　　图7 差分降噪处理原理 　　差分对中的两个信号总是传送互补的逻辑值，所以当上图中的IN_P为逻辑1时，IN_N则为逻辑0，反之亦然。并且布线时，差分对的两条线路布线得非常的近，因此噪声对他们的影响都是相同的。接收端只对两个信号的差异感兴趣，若两个信号相同，则对此不敏感。 　　结语 　　利用DSP的实时数据处理能力与FPGA优越的硬线逻辑设计相结合，保证了多通道数据采集系统的实时性和精度要求，实现高速数据传输，同时简化系统硬件设计，缩小系统体积，具有极高的性价比。系统的数字部分硬件采用Verilog硬件描述语言实现，便于修改和升级，可根据实际测试应用需求作灵活的改进。本数据采集传输模块已成功实现，并取得了良好的应用效果。 　　参考文献： 　　[1]吴继华,王诚. Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)[M]. 人民邮电出版社 2005：64-65 　　[2]www.altera.com 　　[3]ADSP-2126x SHARC DSP Peripherals Manual. 2004 　　[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计[M].北京：北京航空航天出版社，2003 　　[5]CLIVE “Max” MAXFIELD. FPGA设计指南器件、工具和流程[M]. 人民邮电出版社. 2007