基于Microblaze系統(tǒng)的A/D數(shù)據(jù)采樣與實(shí)現(xiàn)

　　近年來，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式應(yīng)用已經(jīng)深入到金融、航空航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、信息家電等各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)無所不在，與人們的日常生活息息相關(guān)。嵌入式系統(tǒng)以微處理器為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其主要特征是實(shí)時(shí)性強(qiáng)。針對(duì)嵌入式處理器的應(yīng)用，Xilinx公司推出了IBM PowerPC 405和Microblaze兩種32位的嵌入式處理器內(nèi)核，IBMPowerPC 405是嵌入在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(filedprogrammable gate array，F(xiàn)PGA)中的硬核處理器，而MicroBlaze是采用哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu)的軟核處理器，可在可編程器件中進(jìn)行配置，具有更好的靈活性，適合復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

　　1 MicroBlaze23軟內(nèi)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　MicroBlaze軟內(nèi)核是一種針對(duì)Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強(qiáng)火的32位微處理器，適用于所有現(xiàn)產(chǎn)的FPGA器件。MicroBlaze軟內(nèi)核和其它外設(shè)IP核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)的設(shè)計(jì)。MicroBlaze軟內(nèi)核采用RISC(reduced instruction system computer)架構(gòu)和哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有32個(gè)通用寄存器R0～R31和2個(gè)特殊寄存器程序指針(PC)和處理器狀態(tài)寄存器(MSR)。MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存，所有的指令長(zhǎng)度都是32位，有3個(gè)操作數(shù)和兩種尋址模式，指令功能劃分有邏輯運(yùn)算，算術(shù)運(yùn)算，分支，存儲(chǔ)器讀／寫和特殊指令等，指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級(jí)流水線：取指，譯碼和執(zhí)行。MicroBlaze軟內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　Microblaze軟內(nèi)核，片上本地存儲(chǔ)器，標(biāo)準(zhǔn)總線互連以及基于片上外設(shè)總線(OPB)的外圍設(shè)備構(gòu)成了MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)。

　　2 MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程

　　在用Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)，Xilinx公司提供嵌入式開發(fā)工具EDK，它由XPS(xilinxplatformstudio)，SDK(software development kit)，creat—import peripheral和XMD(xilinx microprocessordebugger)組成。

　　其中XPS是主設(shè)計(jì)程序平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式開發(fā)的所有步驟環(huán)節(jié)，其它的軟件工具可以在XPS里面直接調(diào)用。SDK是軟件開發(fā)工具，支持C和C++，主要完成軟件的設(shè)計(jì)。creat—import peripheral工具實(shí)現(xiàn)用戶IP核和CPU的接口設(shè)計(jì)。XMD主要完成軟件調(diào)試。

　　進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，EDK以IP cote的形式，提供諸如LMB、OPB總線接口、外部存儲(chǔ)控制器、SDRAM控制器、UART中斷控制器、定時(shí)器及其他一些外圍設(shè)備接口等資源，利用這些資源，用戶能夠輕松構(gòu)建一個(gè)完善的嵌入式處理器系統(tǒng)。進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，EDK提供了外設(shè)IP驅(qū)動(dòng)程序和大量的函數(shù)庫(kù)，板級(jí)支持包(BSP：board support package)以及完整的操作系統(tǒng)以幫助用戶開發(fā)軟件平臺(tái)。

　　當(dāng)用戶需要定制自己的外設(shè)以完成一些特殊功能時(shí)，用戶可以Xilinx公司提供的Project Navigator ISE環(huán)境下，用VerilogHDL或者VHDL代碼完成用戶IP core的設(shè)計(jì)，利用XPS中提供的creat—import peripheral工具完成創(chuàng)建和導(dǎo)入用戶IP core。利用EDK現(xiàn)有的IP core和用戶自定義IP core可以建立一個(gè)完善的嵌入式系統(tǒng)。在XPS開發(fā)環(huán)境下，完整的開發(fā)流程如圖2所示。

　　MHS和MSS文件都是由用戶根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求通過EDK生成的。其中MHS文件包含了對(duì)整個(gè)MicroBlaze系統(tǒng)組織的描述(包括處理器、總線、外設(shè)等)，用戶也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況修改MHS文件(例如opb_gpio的輸出寬度)，完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)生成器(PlatGen)產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)表，結(jié)合約束文件可最終生成可配置文件(.bit)用以下載。MSS文件包含了所有外設(shè)的驅(qū)動(dòng)等信息的描述，庫(kù)生成器(LibGen)通過它產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)，用戶根據(jù)這些驅(qū)動(dòng)文件完成軟件調(diào)度程序，再由MB2GCC工具對(duì)調(diào)度程序進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行程序。最后.bit文件和軟件程序合成下載到開發(fā)板。若程序執(zhí)行不理想，可以用 XMD進(jìn)行軟件調(diào)試，找出問題所在，解決問題完成設(shè)計(jì)。

　　3 AD數(shù)據(jù)采樣與實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)給出了AD數(shù)據(jù)接收、采樣、存儲(chǔ)。天線接收到的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)斛析，得到了時(shí)間信息，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過30.69MHz 中頻調(diào)制，送入ad_transmit完戰(zhàn)AD采樣，存儲(chǔ)到嵌入在開發(fā)板上的blockram里面，可以通過FPGA調(diào)試工具chipscope來觀察AD采樣數(shù)據(jù)。

　　本設(shè)計(jì)采用的足e元素科技的Virtex4系列開發(fā)板，該開發(fā)板上有嵌入的兩個(gè)AD數(shù)據(jù)接口(ADC0，adc1)，在本設(shè)計(jì)采用的是adc0。AD采樣是用Verilog代碼設(shè)計(jì)完成的，在ISE環(huán)境下仿真驗(yàn)證成功，掛載到OPB總線上。其硬件平臺(tái)如圖3所示。

　　構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)資源為：

　　Microblaze：系統(tǒng)的核心模塊；

　　LMB總線：(1)ILMB BRAM Cntrl，DLMBBRAM Cntrl內(nèi)部BRAM控制接口IP，使得MicroBlaze可以通過LMB總線訪問BRAM；(2)BRAM-BLOCK(片內(nèi)存儲(chǔ)模塊)，可作為系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)空間或高速緩存；

　　OPB總線：(1)通信接口IP，通過OPB-UARTLITE(串行通信接口)，驅(qū)動(dòng)uart接口轉(zhuǎn)換器完成與外部系統(tǒng)如 PC的數(shù)據(jù)通信；(2)用戶接口IP，通過OPB總線訪問 MicroBlaze。

　　天線等外圍設(shè)備：天線、信號(hào)解析、信號(hào)產(chǎn)生器和中頻調(diào)制完成根據(jù)解析出的時(shí)間信息產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，調(diào)制為中頻模擬信號(hào)，中頻調(diào)制頻率為30.69MHz。

　　Uart端口：通過超級(jí)端口觀察軟件凋度程序的執(zhí)行過程。

　　Chipscope核：ila核及icon核用來觀察數(shù)據(jù)，icon核控制ila核，ila核連接所需要觀察的信號(hào)的端口。

　　Dcm時(shí)鐘控制：控制AD采樣速率，本設(shè)計(jì)采樣頻率為81.84MHz。

　　設(shè)計(jì)中的硬件描述文件(MHS)即為按照上面定制的硬件平臺(tái)框圖中給出的系統(tǒng)資源編寫的，其部分內(nèi)容如下：

　　給出的MHS文件中，列出了用戶IP ad_transmit 地址，時(shí)鐘還有端口連接情況，其中ad_transmit_0_ad_din設(shè)置為外部端口，連接到開發(fā)板上FPGA相應(yīng)的adc0端口。chipscope_ila則列出了通過chipscope觀察的信號(hào)。

　　軟件描述文什(MSS)列出了所有外設(shè)的驅(qū)動(dòng)信息，函數(shù)庫(kù)產(chǎn)生器利用這些配置信息，配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)庫(kù)。用戶根據(jù)這些驅(qū)動(dòng)程序來完成軟件調(diào)度程序，完成軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要通過硬件來實(shí)現(xiàn)，軟件調(diào)度程序比較簡(jiǎn)單，流程圖如4所示。

　　完成軟件調(diào)度程序以后，就可以對(duì)源程序進(jìn)行編澤、匯編和鏈接，生成可執(zhí)行義件，通過在XPS中利用工具“data2bram”，將軟件設(shè)計(jì)中生成的程序代碼作為存儲(chǔ)區(qū)的初始化數(shù)據(jù)，合并到硬件設(shè)計(jì)中生成的下載配置文件中，最終生成包含軟、硬件設(shè)計(jì)的FPGA下載配置文件“download.Bit”，就可以將其下載到芯片中驗(yàn)證本設(shè)計(jì)。

　　通過FPGA調(diào)試工具chipscope來觀察接收的AD采樣數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)定了AD數(shù)據(jù)溢出控制，即AD采樣數(shù)據(jù)在-8192～+8192之間，AD采樣數(shù)據(jù)如圖5，圖6所示，實(shí)現(xiàn)AD數(shù)據(jù)采樣。

　　本設(shè)計(jì)將用戶IP ad_transimit掛載到OPB總線上，采用chipscope對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，通過觀察與分析，可以得出本設(shè)計(jì)很好的完成了AD數(shù)據(jù)接收，采樣，存儲(chǔ)，是一個(gè)完整的AD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。進(jìn)一步可以對(duì)存儲(chǔ)的AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程。