小梅哥和你一起深入学习FPGA之DAC驱动

　　本实验中，我们使用FPGA来驱动了一片DAC芯片TLC5620，该芯片的特性如下所示：
　　TLC5620特性：
　　4路8位电压输出;
　　单电源5V供电;
　　串行接口;
　　参考电压输入高阻;
　　可编程的1次或2次输出范围;
　　同时更新的能力;
　　内部自带上电复位功能;
　　低功耗;
　　半缓冲输出。
　　小梅哥设计的该芯片的驱动模块的接口如下所示：
　　


　　各个端口定义如下：
　　以下是代码片段：
　　input Clk;
　　input Rst_n;
　　input Do_DA; /*使能单次转换*/
　　input [10:0]Data;/*{Addr1,Addr0,Range,Data_bit[7:0]}*/
　　output reg DAC_Dout; /*DAC数据线*/
　　output reg DAC_Clk; /*DAC时钟线，最高速度1M*/
　　output reg DAC_LDAC; /**/
　　output reg DAC_LOAD; /**/
　　output reg DA_Done; /*单次转换完成标志信号*/
　　该芯片提供了类似于SPI的数字接口，因此，我们只需要使用该接口与芯片进行通信，再配合LOAD和LDAC两个控制线，即可实现对该DAC芯片的控制。TLC5620一次转换的操作时序如下：
　　


　　图1 TLC5620单次转换时序图
　　TLC5620每次写入的数据为11位，其中前两位为DAC选择位A1、A0，通过不同的组合可以选择不同通道的DAC，具体分配为：
　　


　　表1 DAC通道选择位与对应通道关系
　　第三位是电压输出增益位，0代表不变，1代表两倍，当设定参考电压为2.5V时，取这一位为1就可以得到最高5V的输出电压。后面8位是数据位，其中第四位是数据的最高位。对于TLC5620的输出电压公式是：
　　VO=VREF ×CODE/256×(1+RNG)
　　VREF是参考电压，CODE是待转换的8位二进制代码，RNG是增益倍数。
　　写入数据时，首先LOAD和LDAC写高电平，这样在CLK的每个下降沿写入的每位数据被锁存到DATA端，当11位数据传送完毕后，拉低LOAD，芯片根据前两位数据，判断是哪一路DAC通道，然后将8位数据移入相应的通道，进行DA转换，这时拉低LDAC，再拉高LDAC，就可以再下次转化之前，保持此次的模拟输出。
　　TLC5620正常工作时的具体电压和时间参数如下表所示，通过该表，可知该芯片串行数字接口的时钟信号(CLK)最高为1MHz。该参数将作为我们采用FPGA产生TLC5620数字接口时钟的依据。同时，还有输入数据建立时间tsu(data-clk)为50ns，即，FPGA数据送出，到能够被TLC5620正常读取，至少需要50ns，因此FPGA单位数据输出保持时间不得少于50ns。tv(data-clk)为时钟下降沿到来后多久时间数据线上的数据才能被芯片内部采集，该时间确定了，时钟下降沿出现多久后，数据线上的数据可以被更新。tsu(LOAD-LDAC)为LOAD的上升沿到LDAC下降沿的建立时间，这里最小为0ns，因此忽略，即两者同时发生即可。tw(LDAC)为LDAC低电平所需的最短时间，为250ns。
　　

　　表2 TLC5620关键参数
　　通过对TLC5620一次完整转换的时序进行分析，列出以下序列机对应的序列点：该序列机总共包含26个点，其中，当Cnt1=0(ST0)时，为空闲态，ST1—ST22为数据发送状态，ST23时拉低LOAD，即将数据加载入对应通道的DAC中，ST24时释放LOAD，同时拉低LDAC，以产生LDAC的下降沿，将对应通道的模拟输出保持住。ST25拉高LDAC，完成一次转换。


　　表3 TLC5620单次转换控制序列机
　　序列机的计数器计数条件如下

　　表4 TLC5620序列机计数器计数条件
                               
                　　线性序列机计数器Cnt1的控制代码如下：
　　以下是代码片段：
　　always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
　　if(!Rst_n)
　　Cnt1
　　else if(Cnt_State == DO_CNT)
　　begin
　　if(Cnt1 == 5'd25)
　　Cnt1
　　else if(Cnt2 == Cnt2_Top)
　　Cnt1
　　else
　　Cnt1
　　end
　　else
　　Cnt1
　　其中，涉及到了两个状态，当Cnt_State = 0时，表示没有转换请求，即系统处于空闲状态，DAC不工作，当外部有转换请求时，则系统进入转换状态，每当计数使能信号到来时，Cnt1自加一，当Cnt1=25后，表明一次转换完成，将计数器清零，同时状态跳回空闲态，等待下一次使能信号的到来。具体的状态转移图如下所示：
　　


　　图2 系统状态转移图
　　该状态机的代码对应如下：
　　以下是代码片段：
　　always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
　　if(!Rst_n)
　　Cnt_State
　　else
　　begin
　　case(Cnt_State)
　　IDEL:
　　if(Do_DA)
　　Cnt_State
　　else
　　Cnt_State
　　DO_CNT:
　　if(Cnt1 == 5'd25)
　　Cnt_State
　　else
　　Cnt_State
　　default:;
　　endcase
　　end
　　因此，我们，只需要将Do_DA给出1个时钟周期的高脉冲，即可启动一次转换。同时，在检测到该脉冲时，模块内部会将数据端口Data上的数据读入到内部数据寄存器中，代码如下：
　　以下是代码片段：
　　always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
　　if(!Rst_n)
　　Data_r
　　else if(Do_DA)
　　Data_r
　　else
　　Data_r
　　同时，为了产生1MHz的时钟，系统中使用了一个计数器Cnt2来专门产生该信号，该计数器对系统时钟进行计数，如当系统时钟为50M(周期为20ns)时，Cnt2计数到24，即计数了500ns，产生一个时钟周期的标志信号，则Cnt1在检测到这个标志信号后，便会自加1，因此，该标志信号出现两次则表明计时1000ns，对应时钟频率为1Mhz，即DAC芯片数字接口的时钟频率。该部分代码如下：
　　以下是代码片段：
　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)
　　if(!Rst_n)
　　Cnt2
　　else if(Cnt_State == DO_CNT)
　　begin
　　if(Cnt2 == Cnt2_Top)
　　Cnt2
　　else
　　Cnt2
　　end
　　else
　　Cnt2
　　为了兼容不同的系统时钟，这里采用参数化定制，得出对应的计数最大值，具体代码如下：
　　以下是代码片段：
　　Localparam system_clk = 50_000_000; /*系统时钟*/
　　Localparam Cnt2_Top = system_clk / 1_000_000 / 2 - 1; /*500ns技术器计数最大值*/
　　系统时钟设置为50M，则计数最大值为50000000/1000000/2– 1 = 24，当系统时钟改变后，只需要修改system_clk的值，即可保证Cnt2计数一次的时间为500ns。
　　最后，附上主序列中的操作代码：
　　以下是代码片段：
　　always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
　　if(!Rst_n)
　　begin
　　DAC_Dout
　　DAC_Clk
　　DAC_LOAD
　　DAC_LDAC
　　DA_Done
　　end
　　else
　　begin
　　case(Cnt1)
　　0:
　　begin
　　DAC_Dout
　　DAC_Clk
　　DAC_LOAD
　　DAC_LDAC
　　DA_Done
　　end
　　1:begin DAC_Dout
　　2AC_Clk
　　3:begin DAC_Dout
　　4AC_Clk
　　5:begin DAC_Dout
　　6AC_Clk
　　7:begin DAC_Dout
　　8AC_Clk
　　9:begin DAC_Dout
　　10AC_Clk
　　11:begin DAC_Dout
　　12AC_Clk
　　13:begin DAC_Dout
　　14AC_Clk
　　15:begin DAC_Dout
　　16AC_Clk
　　17:begin DAC_Dout
　　18AC_Clk
　　19:begin DAC_Dout
　　20AC_Clk
　　21:begin DAC_Dout
　　22:DAC_Clk
　　23:DAC_LOAD
　　24:begin DAC_LOAD
　　25:begin DAC_LDAC
　　default:;
　　endcase
　　end
　　该设计的仿真结果如下如所示：
　　


　　由该仿真结果可知，时钟频率为1MHz，满足芯片工作要求，其它时序均与手册给出的时序保持一致。为了设计简洁，这里将LOAD和LDAC的低电平脉冲时间都设置为了500ns，而非最小时间250ns，这里主要是为了方便序列机的设计。当然，如此设计在一定程度上会影响DAC 的转换速率，不过在大多数应用场合已经足够，如需更加高效的设计，只需要对代码稍加修改即可。
　　本驱动的testbench编写较为简单，这里只附上对应代码，不做详细解释：
　　以下是代码片段：
　　`timescale 1ns/1ns
　　module TLC5620_Driver_tb;
　　reg Clk;
　　reg Rst_n;
　　reg Do_DA; /*使能单次转换*/
　　reg [10:0]Data;/*{Addr1,Addr0,Range,Data_bit[7:0]}*/
　　wire DAC_Dout; /*DAC数据线*/
　　wire DAC_Clk; /*DAC时钟线，最高速度1M*/
　　wire DAC_LDAC; /**/
　　wire DAC_LOAD; /**/
　　wire DA_Done; /*单次转换完成标志信号*/
　　TLC5620_Driver u1(
　　.Clk(Clk),
　　.Rst_n(Rst_n),
　　.Do_DA(Do_DA),
　　.Data(Data),
　　.DAC_Dout(DAC_Dout),
　　.DAC_Clk(DAC_Clk),
　　.DAC_LDAC(DAC_LDAC),
　　.DAC_LOAD(DAC_LOAD),
　　.DA_Done(DA_Done)
　　);
　　initial begin
　　Clk = 1;
　　Rst_n = 0;
　　Do_DA = 0;
　　Data = 11'd0;
　　#200;
　　Rst_n = 1;
　　#400;
　　Data = 11'b110_1011_1001;
　　Do_DA = 1;
　　@(posedge DA_Done)
　　Data = 11'b110_0000_1111;
　　#20
　　Do_DA = 1;
　　#20;
　　Do_DA = 0;
　　@(posedge DA_Done)
　　Data = 11'b110_1111_0000;
　　#20
　　Do_DA = 1;
　　#20;
　　Do_DA = 0;
　　@(posedge DA_Done)
　　#400;
　　$stop;
　　end
　　always #10 Clk = ~Clk;
　　endmodule
　　因为时间关系，这里只开发了该芯片的驱动，并用modelsim对该驱动进行了仿真，详细的调试和应用，小梅哥将在下一个实验中介绍。