零基础学FPGA （二十三）SOPC进阶，自定义AD转换IP核设计全流

作者：小墨同学

         今天带大家来设计一个自定义的IP核，我们从最基本的做起，包括datasheet 的理解，设计的整体框架，AD转换代码的编写，仿真，Avalon-MM总线接口的编写，硬件系统还是基于上次的硬件系统，不过我们不再用altera给我们提供的IP核了，我们要自己做一个，有时候我们找不到他们提供的IP核，或者有些IP核是收费的，这个时候我们就可以自己来编写自己的IP，虽然没有官方的那么标准，但是用来做一些实验还是没什么问题的。

        这次实验我用的是原来我那块板子，因为那块板子上有AD转换芯片，而我们上次搭建的硬件系统是基于cyclone IV的硬件系统，但是这块开发板上没有AD芯片，我们就不做软件下载的实验了，其实只要在我们编写AD转换HDL代码的时候测试成功，那么我们软件调试部分就应该没什么问题了，有条件的同学可以自己做这一部分。


一、有理可依

        所有编写的代码必须都得有理可依，要不然直接看代码那得有多痛苦啊，第一部分先来带大家熟悉一下datasheet上的东西

        我们要操作的AD转换芯片TLC549的顶层视图



       可以看到这个芯片应该不太难操作，左边是模拟信号输入端，因为是模数转换，这边我们就暂时可以不管，看右边有时钟信号，数字信号输出端和片选端，那么我们需要控制的，无非就是时钟信号和片选信号了
       还有什么器件描述什么的大家可以自己取去看，我们主要去看时序图



         大体上来看一下，，首先是ADC的工作时钟，它在片选信号为低电平的时候有效，连续8个周期用来将转换后的数字信号送到数据总线上，8个时钟周期过后就是转换周期，用来对模拟信号进行转换，在这期间，片选信号要拉高，对于片选信号，开始的时候有一个从高电平到低电平的跳变，然后等待一个建立时间TSU，建立时间结束后ADC工作时钟开始工作，8个时钟周期后，片选拉高开始模数转换，之后片选拉低，将转换后的数据送出去。

        细节部分，可以看到当片选拉低后，我们可以定义一个使能信号en来开启工作时钟，从片选拉低到工作时钟有效需要一个建立时间1.4us，这个数据在下面的表格中可以查到，之后是8个数据锁存周期，每一个时钟的高低电平延时不能小于404ns，具体也是表格中找，然后是转换周期，时间是17us，至于转换期间的工作时钟是什么我们可以不必关心。

        再来看一下它的注释内容，大体意思是说转换周期需要一个17us的延时，注释B大体意思是说，当片选拉低之后，数据的第8位就自动的放到了数据总线上，剩下的7位数据在第7个时钟下降沿到来的时候就已经锁存了。

二、编程思路

          这段时间跟着他们在上课，听李老师讲课的时候，李老师不会将大量的时间放到代码的编写上，而是有时候花一整节课的时间来帮助学生来构建编程的思路，包括系统架构，状态转移图等，有了这些都东西作为铺垫，我们的代码编写就可以手到擒来，起到事半功倍的效果，如果我们不做好事先的准备设计工作，没有一个系统的架构在我们脑海里，上来就去写代码，就会发现越写问题越多，思路不通，处理不当等问题，所以小墨同学回来之后也用word做了这么个状态转移图，这个实验不是很难，状态机也没那么复杂，就是希望起到一个抛砖引玉的过程，通过一个小小的实例，告诉大家以后在拿到一个问题后改怎么下手。虽然画的不怎么样~还是可以看得哈~



       理一下编程思路吧，从datasheet里面我们知道。我们要做好这几个延时，即准备转换的延时1.4us，17us的转换延时，和404ns的ADC工作时钟高低电平延时等。状态机部分采用两段式状态机。将组合逻辑与时序逻辑分开，采用独热编码。按照状态转移图构思好状态机的编程思路。数据处理部分，为了保证数据的稳定性，可以采用边沿脉冲检测法检测ADC工作时钟的上升沿，在每一个上升沿将转化后的数据一位一位锁存，由于数据是串行输入，还要用到串并转换的思想，这些编程方法前面都已经介绍过，就不一一讲解了。

       代码风格部分，个人感觉这一套代码比起以前有了一些进步，至少看起来思路清晰，注释合理，数据处理恰当，语法直白，没有用到一些很别扭的语法等。具体还需要广大读者自己去体会，也希望你们能够喜欢~

       代码部分就不一一讲解了，源代码会附在文章后面，大家可以自行消化

三、仿真与验证




      上面是前仿真的过程，从波形来看和我们的设计吻合，用标尺量一下，延时参数也和我们设计的一致

       按理说我们下一步需要进行时序约束部分，但是我们的这个设计是us级的，即使不做时序约束也是可以的，但是毕竟我设计的是一个IP核，为了稳定起见还是做一下时序约束比较好。说实话，时序约束部分，个人感觉是一门高大上的学问，变化多端，有些都是经验值，你问一个工程师为什么是这样约束，有时候可能他也答不上来。之前也接触过静态时序分析的知识，但是一直不敢写，感觉还是学的不怎么样吧，想回去以后学内存这方面的时候再去好好研究一下它~

下面是后仿真的波形图




可以看到，波形跟我们的设计吻合，也没有出现什么不合理的设计什么的，可以下板验证了




可以看到，当我们扭动滑动变阻器的时候，相应的模拟量被转化成数字量并在数码管上显示了


四、Avalon-MM总线接口设计

        我们知道，我们设计的这个IP核是要挂到Avalon-MM总线上的，作为一个从机，总线需要通过片选信号来访问总线上挂的这些IP，因此，我们也需要给我们的IP设计一个和总线通信的接口




我们设计AD转换的IP核的片选信号低电平有效，当片选信号有效的时候，如果再来一个读信号，那么，数据就会被总线读走，送至CPU




五、自定义IP

好了，下面我们就可以来定义我们自己的IP了

先将我们刚才设计好的AD转换的.V文件复制到我们硬件系统的目录中，并养成一个好的习惯，新建一个文件夹，并命名为IP，以后我们设计的IP都可以放到里面





打开我们之前硬件系统的sopc builder,双击左上角的NEW component ，在HDL file一栏中添加我们的adc.v文件，




      在signal一栏中，根据端口的类型配置端口，时钟复位信号不用说，其中我们的与总线接口部分的端口属于总线的从机端口，我们需要把它定义为avalon_slave_0端口类型，信号类型设置为低电平片选，低电平读就好，其他端口设置为conduit类型，信号类型设置为export，因为我们是用来输出到外部器件的端口



在接口一栏中，我们可以设置一些相关参数，一般为默认就好，为了我们数据的稳定性，我们可以把读延时周期设置为4个，保证它有足够的时间去处理数据




然后点击finish，双击我们生成的IP核将它添加到系统工程中即可，然后重新生成硬件系统

六、硬件系统生成

将生成的新的硬件系统的例化接口声明好，这样在我们的设计顶层又多了这样一个模块，按照惯例分析综合，时序约束，分配管脚，这样我们的硬件系统就设计好了




七、软件部分

因为我的硬件系统上没有AD芯片，这里就只简单说一下软件代码，不做下板调试了

软件部分只讲一下主函数部分，看下图




      代码很简单，就是每隔一段时间将采集到的值在窗口打印，不过有个问题需要解释一下，有人会问，我们在自定义IP的时候不是定义了片选端和读信号么，为什么我们没有对它进行操作就可以读数据了呢？
      其实我们是不需要对我们的外设进行片选或者读写使能的，因为我们的avalon-MM总线一次只能访问一个从机，我们给出了我们AD转换的IP的地址，就默认片选了这个模块了，又因为我们调用了IO操作的读函数，在定义信号的时候我们定义的是低电平，这样其实就是总线默认帮我们选好了，我们只需要给它一个地址，那么数据就会自动的传到总线上去。

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