基于HDL的多接口控制設(shè)計(jì)

趙杰

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

隨著技術(shù)的發(fā)展，多種接口協(xié)議現(xiàn)已廣泛用于各大領(lǐng)域，從航空航天、國防軍事到民用通信、多媒體技術(shù)等都涉及到接口的應(yīng)用[1-2]。常見的有A/D、D/A、SPI、IIC、CAN、VGA、PCI等。一般的實(shí)現(xiàn)方式以專用接口芯片或單片機(jī)、DSP控制實(shí)現(xiàn)為主[3-8]。專用芯片需要為各接口協(xié)議專門配置，會(huì)增加系統(tǒng)成本。單片機(jī)在很多簡單控制上可以處理，但是計(jì)算速度和性能很有限[9]。例如使用單片機(jī)進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，進(jìn)行一個(gè)采樣周期中必須完成的很多操作步驟才能實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)指令的指令周期長，因此對于速度稍高的器件就無法控制[10]，DSP等器件處理能力相對較強(qiáng)。單片機(jī)、DSP等若要實(shí)現(xiàn)多種接口同時(shí)控制難度較大，而且后期擴(kuò)展接口不方便。本文利用FPGA允許重復(fù)擦寫、在線配置靈活的特性[11-12]，對常見的A/D、D/A和VGA三種接口實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制。利用主流硬件描述語言Verilog HDL描述接口控制功能，頂層設(shè)計(jì)采用原理圖方式來實(shí)現(xiàn)，而且系統(tǒng)允許后期擴(kuò)展接口。

1 A/D接口控制功能及實(shí)現(xiàn)

本文以控制TLC549芯片為例。TLC549是8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用開關(guān)電容逐次逼近的方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)使用該芯片采集模擬電壓信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后數(shù)值通過數(shù)碼管顯示，主要過程如下：

1）產(chǎn)生AD采集時(shí)鐘信號(hào)clk以及數(shù)碼管掃描時(shí)鐘ioclk，初始化A/D。

2）AD采樣，當(dāng)cs＜=0時(shí)，開 CS片選，當(dāng)cs＜=1時(shí)，關(guān) CS片選。

3）將采集的數(shù)據(jù)data轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)segdata。

4）數(shù)碼管掃描顯示。

仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 A/D接口控制仿真

2 D/A功能及實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)使用DA芯片TLC5615將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)位12位，其中10位是有效位，2位是填充位，填充位補(bǔ)0即可。主要控制過程如下：

1）初始化 TLC5615。

2）設(shè)置TLC5615片選信號(hào)cs。

3）等待轉(zhuǎn)換完成后拉低片選，即cs為0時(shí)傳送有效數(shù)據(jù)。

仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 D/A仿真結(jié)果圖

3 VGA接口功能及實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)可以控制VGA接口，使顯示器顯示色帶，在實(shí)驗(yàn)中使用到了9個(gè)IO口，各用3個(gè)IO口分別代表 vga_r、vga_g、vga_b即紅、綠、藍(lán)三原色信號(hào)。為使色帶便于觀察，不宜顯示太多顏色，選擇少量顏色即可。主要控制過程如下：

1）產(chǎn)生存儲(chǔ)顏色數(shù)值的信號(hào)。

2）要實(shí)現(xiàn)色帶的顯示，必須有有效顯示區(qū)標(biāo)志和有效顯示區(qū)坐標(biāo)，即產(chǎn)生同步行同步和場同步信號(hào)（hsync信號(hào)和vsync信號(hào)）。

3）根據(jù)顏色存儲(chǔ)數(shù)值，分配給 vga_r、vga_g、vga_b三個(gè)信號(hào)，顯示屏顯示的顏色是三種顏色的疊加。

仿真結(jié)果如圖3所示。

4 各接口總體實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)用同一個(gè)時(shí)鐘控制VGA接口、ADC接口和DAC接口使各個(gè)現(xiàn)象同時(shí)實(shí)現(xiàn)。頂層設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4所示，各接口總體仿真結(jié)果如圖5所示，頂層設(shè)計(jì)在Quartus II中編譯結(jié)果如圖6所示?？梢姡词箤P2C5T144C8N這種硬件資源很少的器件，也只消耗了1/4左右的邏輯塊，后續(xù)若要進(jìn)行擴(kuò)展接口控制也很方便。

圖3 VGA接口仿真結(jié)果

圖4 頂層設(shè)計(jì)電路原理圖

圖5 頂層設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

圖6 頂層實(shí)體編譯結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)中采用的自頂向下的設(shè)計(jì)方法，體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想。各個(gè)模塊所具有的相對獨(dú)立性更好地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約了系統(tǒng)資源。在調(diào)試階段，可根據(jù)某一個(gè)接口模塊的功能實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行調(diào)試。后期也可以方便地進(jìn)行更多接口控制的擴(kuò)展。

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