光譜儀CCD數(shù)據(jù)采集中SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)及USB2．0 IP核的實(shí)現(xiàn)*

席忠紅，李海翼

(甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系，甘肅合作747000)

XI Zhonghong，LI Haiyi*

(Department of Physics and Hydranlic Engineering，Gansu Normal University for Nationalities，Hezuo Gansu 747000，China)

近年來，CCD(Charge Coupled Device)以其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、噪聲低、體積小、像素多等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，在光譜儀器中，常使用它作為光電轉(zhuǎn)換元件。特別是在出現(xiàn)了背照式CCD后［3］，它的光譜范圍可以延伸到深紫外區(qū)，可以成為全譜式光譜儀的檢測(cè)器件。FPGA作為可編程門陣列，可以產(chǎn)生時(shí)鐘嚴(yán)格同步的多路信號(hào)，是驅(qū)動(dòng)CCD數(shù)據(jù)采集的首選器件之一，特別是基于FPGA［4］的SoPC技術(shù)的應(yīng)用［5－6］，使數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)同步處理和轉(zhuǎn)換傳輸融合為一體，同時(shí)通過調(diào)用IP核(Intellectual Property)，使設(shè)計(jì)過程變得更為簡(jiǎn)捷和可靠。通用串行總線USB2．0接口具有最高480Mb/s的傳輸速度，可以把高速采集到的光譜數(shù)據(jù)及時(shí)送給上位機(jī)軟件，本文將調(diào)用SLS公司的USB20HR IP軟核實(shí)現(xiàn)USB2．0接口，從而代替了專用USB芯片，不但節(jié)約了成本，而且使整個(gè)系統(tǒng)更緊湊。

1 系統(tǒng)組成及功能

本文要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能如圖1所示。基于FPGA的SoPC系統(tǒng)通過可編程硬件來實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)框圖

1．1 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊用Verilog HDL語言編寫，為了保證時(shí)序的同步性，所有控制信號(hào)都在同一個(gè)基準(zhǔn)脈沖下產(chǎn)生，這個(gè)基準(zhǔn)脈沖是片上鎖相環(huán)PLL輸出的12 MHz時(shí)鐘脈沖?？紤]成本和滿足使用的要求，CCD器件選擇線陣CCDILX554B;A/D轉(zhuǎn)換器件選擇并行12位輸出的 ADS803E，最高并行轉(zhuǎn)換時(shí)鐘2 MHz。

所實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊的邏輯功能時(shí)序仿真如圖2所示。為了頂層設(shè)計(jì)的方便，在驗(yàn)證此模塊后，把此邏輯功能生成一個(gè)具有輸入輸出的獨(dú)立模塊，以供調(diào)用。

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊邏輯功能時(shí)序仿真圖

1．2 異步 FIFO

為了提高采集效率和降低誤碼率，采用異步時(shí)鐘FIFO(First In First Out)緩沖數(shù)據(jù)，調(diào)用片上FIFO IP核，入口端設(shè)為Avalon-ST Sink接口，時(shí)鐘和控制信號(hào)也由驅(qū)動(dòng)模塊按一定的時(shí)序提供，這個(gè)接口的優(yōu)點(diǎn)是把A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)源源不斷地送給FIFO，不需要CPU的參與，提高了效率;出口端設(shè)為Avalon-MM slave，時(shí)鐘取自系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)FIFO達(dá)到半滿標(biāo)志時(shí)，F(xiàn)IFO核向片上CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷后，控制DMA，把FIFO里的數(shù)據(jù)高速取走，經(jīng)過處理后，通過USB接口送給上位機(jī)。另外，為了把A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送給Avalon-ST Sink入口的FIFO，必須在SoPC builder設(shè)計(jì)時(shí)例化一個(gè)新Avalon Streaming Source接口部件，部件的輸出直接接到FIFO，輸入接外部數(shù)據(jù)端。同時(shí)，這個(gè)新部件為FIFO補(bǔ)齊32位數(shù)據(jù)位寬，方便對(duì)接。

1．3 USB2．0 接口

為了把采集到的大量數(shù)據(jù)即時(shí)地傳送給上位機(jī)，采用USB2．0通用串行總線協(xié)議接口。它具有高傳輸速度、即插即用、可以總線供電、與主流上位機(jī)兼容等優(yōu)點(diǎn)。本文采用SLS公司USB20HR軟核，把 USB2．0接口集成到 SoPC系統(tǒng)。USB20HR是基于片上RAM的USB從設(shè)備軟核，支持32位Avalon總線接口，可以設(shè)置批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸，最多可支持15個(gè) USB輸入輸出端點(diǎn)［7］。該IP核代替了傳統(tǒng)USB芯片的功能，可以節(jié)約成本，也使圖3 USB20HR與Avalon總線及外部連接整個(gè)系統(tǒng)融合為一體，更大程度上體現(xiàn)了SoPC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。USB20HR IP核與SoPC系統(tǒng)Avalon總線的連接及外部接口，通過外部串行解碼芯片ISP1504，就可以實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)通信的功能。

圖3 USB20HR與Avalon總線及外部連接

2 SoPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在例化NIOSⅡ處理器的基礎(chǔ)上，調(diào)用相應(yīng)模塊和IP核，構(gòu)建整個(gè)SoPC系統(tǒng)，其頂層邏輯連接和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 SoPC系統(tǒng)頂層邏輯連接和結(jié)構(gòu)框圖

圖4中，driver模塊即為CCD、A/D控制驅(qū)動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由data_in引腳端口送給Avalon-ST source接口部件，經(jīng)位寬調(diào)整后送入FIFO;圖中NIOSⅡ模塊是由SOPC Builder而自定義生成的包含NIOSⅡ處理器、片上RAM、DMA控制器、異步FIFO、USB20HR、FIR、SDRAM 控制器、EPCS控制器、鎖相環(huán)PLL等單元的綜合模塊，每個(gè)單元擁有獨(dú)立的基地址和IRQ優(yōu)先級(jí)值，NIOSⅡ處理器作為Avalon Master，可以通過Avalon總線訪問任何一個(gè)Avalon Slave單元。系統(tǒng)時(shí)鐘的布置，以40MHz外部時(shí)鐘，作為兩個(gè)鎖相環(huán)PLL的時(shí)鐘輸入。PLL0的輸出CO設(shè)為12MHz，給驅(qū)動(dòng)模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，C1為50MHz，給NIOSⅡ處理器和其它模塊提供時(shí)鐘，C2為50MHz，從PLL的專用管腳輸出，提供給外部SDRAM;PLL1的C2設(shè)為26MHz，從專用管腳輸出為ISP1504提供時(shí)鐘，以進(jìn)一步產(chǎn)生60MHz脈沖，為ULPI提供同步時(shí)鐘信號(hào)。其次，雖然硬件配置文件和軟件程序可以下載在配置芯片EPCS等上，但程序運(yùn)行時(shí)在RAM中運(yùn)行，為了滿足后續(xù)一定容量的程序運(yùn)行的需要，在片外擴(kuò)展一片8MB SDRAM MT48LC8M8A2，設(shè)置PLL1 C2時(shí)鐘相移－60°，接到SDRAM時(shí)鐘輸入端。在頂層框圖中為各模塊分配輸入輸出引腳，執(zhí)行分析綜合，利用Time-Quest

Analyzer對(duì)各時(shí)序進(jìn)行約束，以滿足Fmax、tco、tsu等要求，編寫SDC約束文件，用create_clock命令對(duì)輸入時(shí)鐘約束，定義它的周期、上下沿;用derive_pll_clocks命令為鎖相環(huán)定義輸入時(shí)鐘，用set_clock_groups約束時(shí)鐘組是否同時(shí)有效。約束后的全編譯結(jié)果如圖5所示。時(shí)序分析和仿真后，編譯結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。執(zhí)行全編譯，生成SOF和POF硬件配置文件。

圖5 TimeQuest Analyzer時(shí)序分析報(bào)告

3 SoPC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA的SoPC系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)可編程硬件描述的目的，也要有軟件來控制片上NIOSⅡ處理器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。軟件開發(fā)是在集成開發(fā)環(huán)境NIOSⅡIDE下編寫C程序及調(diào)用HAL系統(tǒng)庫，以及編譯和調(diào)試程序。產(chǎn)生基于前述硬件的System．h文件，它提供了所有SoPC硬件系統(tǒng)完整的描述，包括每個(gè)調(diào)用硬件的名稱、基地址、中斷優(yōu)先級(jí)等，為NIOSHAL系統(tǒng)庫及其驅(qū)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。NIOS系統(tǒng)庫定義了各數(shù)據(jù)類型，輸入輸出函數(shù)，設(shè)備分類等。調(diào)用NIOSⅡHAL，會(huì)在驅(qū)動(dòng)的配合下，映射到硬件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能［8］。

本文主程序流程如圖6所示。上位機(jī)發(fā)送CCD數(shù)據(jù)采集的開始、停止等命令，通過USB中斷通知NIOSⅡ系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)模塊輸出有效驅(qū)動(dòng)信號(hào)或停止輸出有效信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的開始、停止等過程。

圖6 NIOSⅡ主程序流程圖

系統(tǒng)上電并自動(dòng)完成硬件配置后，NIOSⅡ系統(tǒng)從EPCS4中開始BOOT，并完成各模塊的初始化及USB設(shè)備的枚舉，然后用while()命令開始輪詢各中斷源。當(dāng)要開始采集時(shí)，由上位機(jī)通過USB接口發(fā)送中斷指令，使接有上拉電阻的I/O變?yōu)榈碗娖剑布窗呀釉谝黄鸬膕tart信號(hào)拉低，驅(qū)動(dòng)模塊開始工作。CCD輸出信號(hào)不斷送入FIFO，F(xiàn)IFO半滿時(shí)向NIOSⅡ產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序立即啟動(dòng)DMA，高速讀取FIFO半滿深度字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)處理后，送入U(xiǎn)SB20HR的輸入端點(diǎn)RAM，等待上位機(jī)及時(shí)取走數(shù)據(jù)。為了采集的完整性，在設(shè)計(jì)中，設(shè)置FIFO中斷優(yōu)先級(jí)高于USB中斷。

4 應(yīng)用測(cè)試和結(jié)果

4．1 PCB 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)在自制PCB板上完成，考慮成本和滿足使用的因素，采用Altera EP2C8 FPGA芯片。板上采用JTAG+AS聯(lián)合配置模式，方便調(diào)試及調(diào)試成功后的上電自動(dòng)配置，串行配置芯片選擇EPCS4。

4．2 USB枚舉及數(shù)據(jù)讀寫

USB通信是主－從式的通信方式，由主機(jī)發(fā)起通信，設(shè)備做出響應(yīng)。USB上位機(jī)枚舉是USB設(shè)備連接到上位機(jī)系統(tǒng)，由系統(tǒng)指定唯一地址碼，獲取設(shè)備相關(guān)信息和描述符，并為設(shè)備加載驅(qū)動(dòng)程序的過程。在此過程中，默認(rèn)在設(shè)備的端點(diǎn)0用控制傳輸方式通信。枚舉是每個(gè)USB設(shè)備能夠正常通信的必須過程。本文在主程序中調(diào)用NIOSⅡ HAL，控制USB20HR核開始枚舉。用USB調(diào)試工具捕捉到枚舉過程如圖7所示。

圖7 USB20HR枚舉過程數(shù)據(jù)捕捉

枚舉過程中系統(tǒng)為USB20HR分配唯一設(shè)備號(hào)，枚舉完成后，USB20HR在NIOSⅡ軟件中設(shè)置的端點(diǎn)信息為上位機(jī)掌握，如圖8所示。端點(diǎn)0為控制端點(diǎn)，端點(diǎn)1和2分別為輸入和輸出端點(diǎn)，所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的最大值為40字節(jié)。

圖8 系統(tǒng)讀取到的USB20HR設(shè)備端點(diǎn)信息

枚舉完成后，手動(dòng)為USB設(shè)備加載相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，之后，USB就可以和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。編寫簡(jiǎn)單上位機(jī)程序，驗(yàn)證USB讀寫批量數(shù)據(jù)成功，平均速度超過90 Mbit/s，能很好滿足CCD數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

4．3 CCD數(shù)據(jù)采集程序Debug

為了驗(yàn)證采集系統(tǒng)的功能，在NIOSⅡIDE環(huán)境下，利用NIOSⅡHardware Debug進(jìn)行在線測(cè)試，在Debug之前，設(shè)置 NIOSⅡ處理器支持 Level 3級(jí)Debug。連接CCD及各電路模塊，下載．sof硬件配置文件到FPGA，手動(dòng)控制CCD模塊使能，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，讀出FIFO的幾個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，Debug結(jié)果如圖9所示。圖中顯示的是32位數(shù)據(jù)的十進(jìn)制值。送給USB輸入端點(diǎn)的數(shù)據(jù)如圖10所示，USB20HR輸出時(shí)默認(rèn)最小輸出4個(gè)字節(jié)，即32位無符號(hào)數(shù)據(jù)。在在線硬件測(cè)試時(shí)，從FIFO讀出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定處理后，以每次4個(gè)字節(jié)的寫操作，送到USB20HR的輸入端點(diǎn)，等待上位機(jī)及時(shí)取走這些數(shù)據(jù)。從圖10中可以看出，處理完的FIFO數(shù)據(jù)經(jīng)過中間的讀寫操作送到USB輸入端點(diǎn)緩存后，數(shù)據(jù)順序操作前一致。因此，上位機(jī)可以讀到正確的數(shù)據(jù)行。

圖9 FIFO讀出數(shù)據(jù)

圖10 USB20HR輸入端點(diǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論及展望

本文提出了可應(yīng)用在光譜儀器中的CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供了完整的下位機(jī)方案。通過仿真和實(shí)際測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的CCD數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)模塊能滿足驅(qū)動(dòng)CCD信號(hào)積分及數(shù)據(jù)輸出及使能控制的目的，能為A/D轉(zhuǎn)換及Avalon-ST接口提供正確時(shí)序的驅(qū)動(dòng)信號(hào);調(diào)用USB20HR軟核實(shí)現(xiàn)了USB2．0接口，通過加載驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了USB2．0接口的全部功能;通過在線硬件Debug測(cè)試，F(xiàn)PGA硬件工程和NIOSⅡ軟件實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。本文設(shè)計(jì)的CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，集成度高，系統(tǒng)緊湊可靠。在光譜儀器中具有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。本文下一步將研究基于本文系統(tǒng)的應(yīng)用于光譜儀器的上位機(jī)應(yīng)用軟件。

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