基于FPGA的简易数据采集系统
一、实验目的
本实验基于Intel Alter CycloneⅣ EP4CE6F17C8N开发板与Verilog HDL语言设计简易数据采集系统。该系统需要实现DDS正常产生波形，通过DAC与ADC转换后的波形数据一致。为实现该目的，需进行的操作细则如下:
1.查阅资料，理解并掌握dds运行原理。
2.阅读ADC和DAC芯片手册理解芯片工作原理及时序要求。
3.进行模块化程序设计，独立进行各个模块的代码设计和仿真调试，完成各个模块设计之后，再进行模块互联，最后测试模块互联后的顶层程序功能是否与预期设计一致。
4.板级测试，将通过仿真调试的程序烧录到开发板上，用Singal Tap联合调试，抓取输入与输回的波形数据，观察二者是否一致。
二、实验原理
本次实验原理将分为理论原理、硬件原理两部分进行阐述。
2.1 理论原理
2.1.1 DDS基本原理
DDS（Direct Digital Synthesis）是一种用于产生可控制频率的数字信号的技术，由于其易于控制，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高, 频率转换速度快等优点，被广泛应用于任意波形发生器。基于DDS技术的任意波形发生器用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。DDS的实现原理图如下：
首先ROM中要存放好要显示的信号数据。然后由频率计数器一直累加，根据这个累加器的值作为ROM的地址，然后DAC根据ROM输出的数据输出相应的电压值，即波形。DDS可以通过改变频率控制字和相位控制字，控制ROM的初始地址和ROM地址改变的时间间隔，间接控制输出波形的形状。
2.1.2 SPI协议原理
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行外设接口，是一种同步、高速、全双工通信总线，用于在数字系统之间进行通信。SPI只需要四根端口线即可，能节约引脚，同时有利于PCB的布局。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了SPI通信协议，如FLASH、SD卡等，本次设计中所使用到的ADC和DAC芯片也都集成了SPI通信协议。一般有四根端口线，分别是：SCLK（同步时钟线）、MOSI（主设备输出/从设备输入线）、MISO（主设备输入/从设备输出线）、CS_N（片选信号）。SPI主从机通信原理图如下：
SPI通信的基本原理是，主设备通过在时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）上发送数据到MOSI线，同时从设备在另一个时钟边沿上将响应数据发送到MISO线。通信开始时，主设备选择一个或多个从设备，拉低相应的SS线。通信结束后，主设备释放CS_N线。
SPI支持四种通信模式，其通信模式的设置由 CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来决定的 。四种通信模式如下：
CPOL决定时钟的空闲电平，CPOL=0时，SCLK空闲为低电平；CPOL=1时，SCLK空闲为高电平。CPHA决定采样的时钟边沿（奇数沿/偶数沿）；CPHA=0，采样的时钟边沿为奇数沿；CPHA=1，采样的时钟边沿为偶数沿。
2.2 硬件原理
2.2.1 DAC基本原理
DAC转换基本原理是：将输入的数字量按权的大小，通过电阻网络转化为模拟量，再通过加法电路，转换为与数字量成比例的模拟量。实际上就是二进制转换为十进制的过程。
DAC基本组成包括，锁存器、电子开关、基准源、权电阻网络和求和电路。 各个组件的功能如下表所示：
锁存器 | 保存输入的数字量 |
电子开关 | 被数字量控制开关，用来决定是否将某一路数字量转换为有效模拟量输出 |
基准源 | 给模拟量提供参考电压 |
权电阻网络 | 提供每一路数字量的比例 |
求和电路 | 将每路数字量转化的模拟量按权相加 |
DAC数模转换电路，基准源和权电阻网络是关键。基准源越大，可输出的模拟量的范围当然也就会越大。
2.2.2 ADC基本原理
ADC就是起到把连续的信号用离散的数字表达出来的功能，其在模拟信号转化为数字信号需要经过采样、保持、量化和编码的过程。常见的ADC有：积分型，逐次逼近型，并行/串行比较型等。ADC的基本组成机构包括，采样器、模数转换器、数字信号处理器。其各个组件的功能如下表所示：
采样器 | 从模拟信号源中提取一定数量的样本值 |
模数转换器 | 将采样器输出的模拟信号转换为数字信号 |
数字信号处理器 | 对ADC输出的数字序列进行进一步处理，如滤波、放大、校正等 |
三、系统设计
3.1 系统整体框架设计
本次项目设计采用模块化的设计思路，将整个工程拆分成五个模块，分别为：按键消抖模块、波形选择模块、dds模块、dac驱动模块、adc驱动模块，依次对五个模块逐一进行设计和仿真调试，最后组成整个简易数据采集系统。系统整体框架设计如图3.1所示。
图3.1 系统整体框架设计
3.2 模块说明
3.2.1 按键消抖模块
按键消抖有两种方法：硬件消抖和软件消抖。在需要更快的响应时间和更可靠的消抖效果时，可使用硬件消抖，在精度要求不高时可使用软件消抖。但由于硬件难以改变的原因，软件消抖被广泛运用于各个项目之中，本次项目设计采用的也是软件消抖。
软件消抖有多种算法，本次设计采用的是简单延时算法。延时算法有两种实现方式，第一种为计数器实现即每次检测到按键信号下降沿便计数 20ms；第二种为状态机实现。本项目采用简单计数器的方法实现按键消抖。
3.2.1.1 模块框图
按键消抖模块将输入的按键信号消抖，并输出一个按键按下有效信号。按键消抖模块的整体框图如下图3.2.1所示。
图3.2.1 按键消抖模块
过滤掉抖动时间需要用计数器来实现，所以模块中需要时钟和复位信号，此外还需要输入的按键信号以及消抖后按键有效的标志信号， 按键消抖模块端口信号列表如表 3-2 所示。
端口信号名 | 描述 |
clk | 时钟信号 |
rst_n | 系统复位信号 |
key_in[3:0] | 按键按下信号 |
key_flag[3:0] | 经消抖后的按键有效信号 |
表3.2.2 按键消抖模块端口信号
3.2.2 波形选择模块
本设计中使用按键实现各种波形之间的切换。具体原理为，通过按键来选择使用哪一个寄存波形数据的ROM。在设计中，我预先将提前生成好的波形数据分别存入不同的ROM，当检测到按键输入时，根据不同的按键输入，激活相应的ROM，用于后续波形数据的读取。
3.2.2.1 模块框图
波形选择模块，将一个按键输入对应一个波形，当识别到相应的按键输入时，输出对应的波形给DDS模块。波形选择模块的整体框图如下图3.2.3所示。
图 3.2.3 波形选择模块
其中，输⼊端⼝clk为时钟信号，rst_n为复位信号，key_flag是按键输入信号，wave_select是波形信号。 端口信号，如下表3.2.4所示。
端口信号名 | 描述 |
clk | 时钟信号 |
rst_n | 系统复位信号 |
key_flag[3:0] | 按键输入信号 |
wave_select[3:0] | 波形信号 |
表 3.2.4 波形选择模块端口信号
3.2.3 DDS模块
DDS是一种电子模块，它可以通过数字方法直接合成周期波形信号，如：正弦波、方波、锯齿波等。因此DDS模块只需要有对应的波形信号数据，就可以生成对应的周期波形信号并输出给DAC芯片。由此，根据DDS原理开始设计DDS模块。
3.2.3.1 模块框图
根据DDS原理，DDS模块需要输入对应的波形数据，以及频率控制字、相位偏置和相位累加控制使能，输出波形信号和波形有效信号。DDS模块框图如下图3.2.5所示。
图 3.2.5 DDS模块
3.2.3.2 端口信号
根据DDS模块框图，DDS模块需要输入对应的波形数据，以及频率控制字、相位偏置和相位累加控制使能，输出波形信号和波形有效信号。DDS模块的端口信号，如下表3.2.6所示。
端口信号名 | 描述 |
clk | 时钟信号 |
rst_n | 系统复位信号 |
dds_en | dds启动使能 |
wave_select[3:0] | 波形选择信号 |
phase_word[31:0] | 频率控制字 |
freq_word[7:0] | 相位控制字 |
wave_out[7:0] | 波形信号 |
wave_out_vld | 波形有效信号 |
表 3.2.6 DDS模块端口信号
3.2.3.3 时序图设计
DDS模块通过检测dds_en信号，当dds_en信号输⼊时，计数器开启条件add_cnt打开，计数器cnt加⼀，rom的地址是采⽤cnt计数器的⼤⼩来改变，在本次代码设计时我们使⽤的是32位计数器，rom采⽤的是cnt计数器的高8位。当输出数据改变时，输出有效信号拉⾼提示DAC模块此时传输的数据才是有效的。具体的模块时序图如下：
3.2.4 DAC驱动模块
查阅DAC芯片手册，可知本次设计所使用到的DAC芯片是一块三线8位DAC，需要输入SCLK、CS_N、data，其最高工作频率为10Mhz，支持三种协议进行数据传输。本次设计采用SPI协议的模式0设计DAC的接口，并通过DAC传输时序去DAC芯片进行数模转换。
3.2.4.1 模块框图
将波形信号输入给DAC驱动模块，通过SPI协议将波形信号数据传输给DAC芯片进行数模转换。DAC驱动模块的模块框图如下图3.2.7所示。
图 3.2.7 DAC驱动模块
3.2.4.2 端口信号
DAC驱动模块，要通过SPI协议结合DAC传输时序传输波形数据，所以该模块需要SPI的三个端口信号和波形数据输入及数据传输标志。DAC驱动模块的端口信号如下表3.2.8所示。
端口信号名 | 描述 |
clk | 时钟信号 |
rst_n | 系统复位信号 |
din[7:0] | 波形数据输入 |
din_vld | 输入波形有效信号 |
busy | 数据传输忙标志 |
sclk | DAC同步工作时钟 |
cs_n | 片选信号 |
dout | 输出给DAC的波形数据信号 |
图 3.2.8 DAC驱动模块端口信号
3.2.4.3 状态机设计
DAC驱动模块的状态机分为四个状态，分别是空闲状态、准备状态、数据传输状态、数据传输结束状态。在空闲状态下，SPI接收到数据有效时，进入准备状态，准备状态再跳转到数据传输状态；在数据传输状态，DAC驱动模块先将原8bit数据按照DAC传输时序拼接成16bit数据，再由高位到低位依次发送数据，直到16bit数据发送完成，即完成一次数据传输，状态机跳转到DONE（数据传输结束状态），最后跳回空闲状态，等待下一次数据传输。DAC驱动模块的状态跳转流程图如图3.2.9所示。
图 3.2.9 DAC驱动模块状态机设计
3.2.4.4 时序图设计
DAC驱动模块通过检测cs_n来检测数据传输是否开始，当cs_n拉低时，din_vld拉高，DAC开启数据传输，状态机从IDLE->READY->TRANS，根据DAC手册，本次设计给予的sclk频率位5Mhz，故需要对系统时钟10分频得到设计的sclk；同时根据DAC手册，在数据传输时，需先将输入的8bit数据拼接成16bit，以满足DAC传输时序要求，同时发送一个busy信号给dds模块，标志数据正在传输，停止数据发送，直到busy拉低。在数据传输完成后状态机跳转到DONE状态，在跳转到IDLE状态，等待下一次数据传输。具体的模块时序图如下：
3.2.5 ADC驱动模块
查阅ADC芯片手册，可知本次设计所使用到的ADC芯片是一块串行8位DAC，需要输入SCLK、CH0（输入数据信号）、CNVST，其串行传输最高工作频率为5Mhz，支持三种协议进行数据传输。本次设计采用SPI协议的模式0设计ADC的接口，并通过ADC传输时序去ADC芯片进行数模转换。
3.2.5.1 模块框图
根据ADC芯片手册，观察ADC传输时序和关键参数，设计ADC驱动模块。ADC驱动模块框图如下图3.2.10所示。
图 3.2.10 ADC驱动模块
3.2.5.2 端口信号
根据ADC芯片手册，去除电源信号端口，设计ADC驱动模块端口信号。ADC驱动模块端口信号如下表3.2.11所示。
端口信号名 | 描述 |
clk | 时钟信号 |
rst_n | 系统复位信号 |
sclk | ADC工作时钟信号 |
cnvst | ADC数模转换标志信号 |
din | ADC输出波形信号 |
表 3.2.11 ADC驱动模块端口信号
3.2.5.3 状态机设计
ADC驱动模块的状态机分为五个状态，分别是空闲状态、开始状态、A/D转换状态、传输数据状态、传输完成状态。在空闲状态下，状态机自动跳转到开始状态等待开始传输条件满足，即100ns的延时后，跳转到A/D转换状态，等待7.5uA/D转换完成后，跳转到传输数据状态，8bit波形数据传输完成后，跳转到传输完成状态（done），最后自动跳转到空闲状态等待下一次数据传输。ADC驱动模块的状态跳转流程图如图3.2.12所示。
图 3.2.12 ADC驱动模块状态机设计
3.2.5.4 时序图设计
ADC模块通过检测cnvst来判断当前状态及数据转换是否开始，当cnvst拉高100ns后，状态机跳转到转换状态，延时7.5us等待数据转换完成之后，进入数据传输状态，开始传输8bit数据；在数据传输完成后状态机跳转到DONE状态，在跳转到IDLE状态，等待下一次数据传输。具体的模块时序图如下：
3.3 仿真调试
3.3.1 按键消抖
输入一个按键信号，对齐打拍后开始延时计数，如果计完20ms则输出一个对应的按键有效信号， 反之输出0，仿真波形如图3.3.1所示：
图3.3.1 按键消抖仿真图
3.3.2 波形信号选择模块
输入一个按键有效信号，波形选择模块输出一个对应的波形参数，用于后续波形的调用。波形选择模块的仿真波形图如下图3.3.2所示。
图3.3.2 波形信号选择仿真图
3.3.3 DDS模块
如下图3.3.3所示，当dds_en信号拉高后，rom地址计数器开始计数，并输出对应地址存储的数据；当rom地址计满后，rom翻转，开始从高到低计数，以保证输出的波形数据正常。同时在本设计中，可以通过按键改变输入的波形数据，当按下不同的按键时，dds会输出对应不同的波形数据；观察下图可见，该功能与设计预期相符。
图3.3.3 DDS模块仿真
3.3.4 DAC模块仿真调试
如下图3.3.4所示，DAC驱动模块状态机跳转正常；当进入数据传输状态时，DAC驱动模块通过SPI接口传输的数据与预期设计的数据一致，由此可见DAC驱动模块的功能设计正常。
图3.3.4 DAC驱动模块仿真
3.3.5 ADC模块仿真调试
如下图3.3.5所示，ADC模块的状态机跳转正常，各个状态所设计的跳转条件都与预期相符；当给予ADC模块一个模拟仿真输入时，ADC模块正常执行数据传输采样时序，并且所得到采样数据与模拟输入的数据一致。在本次仿真调试中，给予的模拟输入数据全为0或1，这样便于程序的设计及后续调试的波形观察。
图3.3.5 ADC驱动模块仿真
3.4 板级验证与调试
3.4.1 RTL视图
本设计中，先通过按键选择输入DAC模块的波形数据，再通过DDS模块产生对应的波形并输出给DAC驱动模块，DAC驱动模块再通过SPI接口将数据传输给DAC芯片；待DAC处理完后，将数据再输回给ADC芯片，ADC芯片对其进行模数转换重新将模拟信号转换成数字信号；最后将输入与输回的数据比较，一致则说明该设计成功。本设计的RTL视图如下图3.4.1所示。
图3.4.1 RTL视图
3.4.2 上板验证
运行代码，通过singal tap抓取输入与输回的波形数据，如下图3.4.2所示。
图3.4.2 dac2adc波形数据
四、实验总结
本项目实现了一个基于FPGA的简易数据采集系统，并可以通过按键控制输出不同的波形。本项目采用模块化设计思路，将项目分为5个模块，包括：按键消抖模块、波形选择模块、dds模块、dac驱动模块和adc驱动模块。
在各个模块的逐一设计的过程中，也产生了一些问题。诸如，未注意ROM位宽，导致频率控制字位宽设置错误，致使ROM未按预期时间跳转、传输数据错误；DAC的SPI接口，采用模式0传输时，如何避免第一个数据采错；SPI接口反馈的busy信号与dds_en信号之间如何交互传输。在认真思考过后，这些问题也逐一得到了解决。
但还是有一些问题，没有得到妥善解决。如，传输数据位宽不够，导致采样数据精度不高，波形不够平滑，可以清晰看到突起，但这是有DAC和ADC的硬件特性所决定的我们无法改变；在按键切换波形时，波形会出现一瞬间的不正常；在采样锯齿波形时，可以清晰看到采样波形与输入波形不一致，如上图3.4.2，猜想是采样逻辑设计可能有问题，但暂未找出。正如项目名，这只是一个简易的数据采集系统，后续的项目优化方向就是逐一解决这些问题，以实现更好的数据采集。
