消除狀態(tài)機(jī)毛刺策略探討

陳夢(mèng)婷　衛(wèi)津逸　張怡昕　張立

摘要 狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)寫為FSM（Finite State Machine），是數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分。本文結(jié)合AD9822的工作特點(diǎn)，以AD9822的序列發(fā)生器的采樣控制過(guò)程為例，分析了狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生毛刺的原因，討論并比較了三種消除毛刺的方案，分別給出了調(diào)整編碼消除毛刺和狀態(tài)碼直接輸出消除毛刺這兩種方案的VHDL源程序，利用Quartus Ⅱ仿真，成功消除毛刺。

關(guān)鍵詞 AD9822 序列發(fā)生器 狀態(tài)碼

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.07.071

狀態(tài)機(jī)是一種重要的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它的速度和效率，以及在執(zhí)行時(shí)表現(xiàn)出的很強(qiáng)的可靠性和安全性，都是設(shè)計(jì)時(shí)的重要優(yōu)勢(shì)。除此以外，與其他方法相比，用VHDL描述狀態(tài)機(jī)的表達(dá)更加多元豐富，結(jié)構(gòu)清晰、易讀，容易理解；VHDL語(yǔ)句在調(diào)試修改和移植模塊方面也有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

1 AD9822介紹

AD9822是一種CCD視頻信號(hào)處理的低功耗處理器，因其具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力和準(zhǔn)確性，被廣泛用于研究、過(guò)程控制等。

AD9822包括3路采樣電路，即VING、VINR、VINB，分別是綠色、紅色、藍(lán)色通道信號(hào)輸入。每一路由相關(guān)雙采樣器CDS，一個(gè)嵌位開關(guān)，可編程增益放大器PGA，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，通過(guò)多路選擇器選擇把信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，通過(guò)位寬為8的總線的輸出。這樣由CCD輸入的模擬視頻信號(hào)便被合理地調(diào)整，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后交由上層處理。

AD9822是通過(guò)三線雙向串行接口來(lái)進(jìn)行控制其工作模式和狀態(tài)的，三路信號(hào)分別是SCLK、SLOAD、SDATA。外部控制器（如FPGA）給出合理的時(shí)鐘信號(hào)SCLK，在該時(shí)鐘下數(shù)據(jù)通過(guò)SDATA傳輸?shù)紸D9822的內(nèi)部寄存器中。

2應(yīng)用VHDL設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)

設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的傳統(tǒng)方法需要大量且繁瑣的狀態(tài)分配、狀態(tài)表繪制和化簡(jiǎn)。但利用VHDL硬件語(yǔ)言可以最大程度地跳過(guò)這些，直接用狀態(tài)圖描述，且涉及到的任意狀態(tài)都可表達(dá)為CASE WHEN中的CASE語(yǔ)句。

具體步驟如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)特定要求，確定不同狀態(tài)的數(shù)量、狀態(tài)相互轉(zhuǎn)移的條件及每個(gè)狀態(tài)輸出的信號(hào)值，進(jìn)而畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；（2）根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)編寫相應(yīng)的VHDL程序；（3）對(duì)功能進(jìn)行仿真及驗(yàn)證。

本實(shí)驗(yàn)的主要目的就是基于己選定的芯片AD9822，設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生序列的計(jì)數(shù)型信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。

3毛刺產(chǎn)生原因

狀態(tài)機(jī)在硬件上通常由主控時(shí)序電路、主控組合電路及輔助電路這三個(gè)部分構(gòu)成。其中，主控組合電路的功能是由當(dāng)前的狀態(tài)值和外部控制信號(hào)來(lái)確定下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方向，并且確定內(nèi)部其他電路輸出的信號(hào)內(nèi)容。一方面，由于存在組合邏輯電路，整個(gè)電路的輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，換句話說(shuō)，即競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象；另一方面，當(dāng)狀態(tài)信號(hào)是多位值時(shí)，在此電路中有多路信號(hào)對(duì)應(yīng)于該信號(hào)。因?yàn)閭鬏斞舆t，每路信號(hào)的值發(fā)生的改變存在先后，令狀態(tài)遷移時(shí)在初始狀態(tài)和目的狀態(tài)之間會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)狀態(tài)“毛刺”。

如，根據(jù)AD9822的Datasheet，時(shí)鐘信號(hào)SCLK含CDSCLK1、CDSCLK2和ADCCLK三個(gè)外部控制端口，用十二個(gè)狀態(tài)描述其變化。首次采用狀態(tài)機(jī)編寫程序的主要代碼如下：

將每個(gè)狀態(tài)的維持時(shí)間設(shè)為10ns，其仿真結(jié)果為（圖1）：

如圖1所示，其中在整個(gè)周期中的第一個(gè)時(shí)鐘和第二個(gè)時(shí)鐘之間會(huì)產(chǎn)生毛刺。

4毛刺的消除方案

“毛刺”只會(huì)發(fā)生在時(shí)鐘兩個(gè)有效邊沿之間，因此一般情況下，“毛刺”在同步電路中不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但當(dāng)輸出信號(hào)是其他功能電路的控制信號(hào)時(shí)，便會(huì)讓受控電路發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作，產(chǎn)生故障，繼而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的混亂，比如作為異步控制、三態(tài)使能控制或時(shí)鐘信號(hào)使用時(shí)。所以，當(dāng)作為控制信號(hào)時(shí)，必須修改程序消除毛刺。消除“毛刺”通常有以下三種方法：

（1）對(duì)狀態(tài)的編碼進(jìn)行調(diào)整，以使相鄰的狀態(tài)轉(zhuǎn)移只有一個(gè)信號(hào)碼變化，從而去除了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的可能。一般采用格雷碼來(lái)編碼。

（2）采用時(shí)鐘同步，即向組合邏輯電路引入時(shí)鐘信號(hào)。狀態(tài)機(jī)每次輸出都會(huì)在時(shí)鐘信號(hào)的同步下經(jīng)過(guò)一個(gè)附加的寄存器，故可保證輸出無(wú)毛刺。但這種方法存在一定的缺點(diǎn)：由于增加了寄存器，直接增大了硬件開銷，這對(duì)本身寄存器資源比較少的芯片是有很大弊端的；從狀態(tài)位到達(dá)輸出必須經(jīng)過(guò)兩級(jí)組合邏輯電路，這對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的最大工作頻率有一定限制：輸出信號(hào)需要在時(shí)鐘節(jié)拍下加載到附加寄存器上，所以實(shí)際得到的輸出信號(hào)會(huì)比狀態(tài)轉(zhuǎn)移延遲一個(gè)時(shí)鐘周期。

（3）直接把狀態(tài)碼作為輸出信號(hào)。狀態(tài)和輸出信號(hào)同步，可以優(yōu)化譯碼電路，因此不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。該方法占用芯片資源少，同步變化速度很快，所以為較好的方法。但在編碼過(guò)程中，可能會(huì)增加狀態(tài)位，出現(xiàn)多余狀態(tài)。雖然在控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)候可以使用WHEN OTHERS來(lái)處理，但是有的時(shí)候并不能有效地控制多余狀態(tài)，故適用于輸出信號(hào)數(shù)量比較小的情況。

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)涉及的狀態(tài)機(jī)編碼較為簡(jiǎn)單，輸出狀態(tài)較少，故采用第一種和第二種方法來(lái)解決毛刺現(xiàn)象。

4.1調(diào)整編碼消除毛刺

因本狀態(tài)機(jī)不是順序遷移，并不采用格雷碼編碼方式，但進(jìn)一步考慮到毛刺只出現(xiàn)在第一個(gè)狀態(tài)和第二個(gè)狀態(tài)之間，且若未指明輸出信號(hào)改變，其輸出不會(huì)改變，故將多余的信號(hào)輸出語(yǔ)句刪除，其主要程序如下：

毛刺成功消除，故在時(shí)序較簡(jiǎn)單時(shí)，若出現(xiàn)毛刺，應(yīng)首先考慮該種方式。

4.2狀態(tài)碼直接輸出消除毛刺

該方法將先將狀態(tài)碼以常數(shù)表示，輸出時(shí)將狀態(tài)碼的某位對(duì)應(yīng)輸出，故其狀態(tài)碼的設(shè)置是最首要的問(wèn)題，需要設(shè)置識(shí)別碼將相同的輸出碼分別開來(lái)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

寫出輸出的應(yīng)正確輸出的輸出碼，從左至右分別對(duì)應(yīng)ADCCLK、CDSCLK2、CDSCLK1，將其相同的輸出碼歸類為一組，按組別的最大大小確定識(shí)別碼的位數(shù)（本例最大為5個(gè)，故為3位），每組的識(shí)別碼從0開始遞增直至編碼完畢，如表1所示：

按表1調(diào)整后主要程序如下：

仿真之后成功消除毛刺，在輸出信號(hào)不多的情況下，若嘗試過(guò)調(diào)整編碼的方法仍不能成功的話，這種方法也是一種簡(jiǎn)單易行的方法。但是輸出信號(hào)個(gè)數(shù)過(guò)多的話，狀態(tài)碼位數(shù)過(guò)多，會(huì)產(chǎn)生很多多余狀態(tài)，導(dǎo)致輸出不可控。

其仿真圖如圖2：

5結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中狀態(tài)機(jī)靈活易用，但是由于VHDL編碼的狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)有可能產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，所以為了避免系統(tǒng)工作狀態(tài)混亂，必須對(duì)癥下藥來(lái)消除毛刺。若使用有限狀態(tài)機(jī)編碼遇到毛刺問(wèn)題，首先采用調(diào)整編碼的辦法，若無(wú)法解決再采用狀態(tài)碼直接輸出的辦法，最后采用時(shí)鐘同步的方法。本文作為實(shí)例，為之后狀態(tài)機(jī)毛刺的解決提供了良好的參考。