国产CPLD（AGM1280）试用记录——做个SPI接口的任意波形DDS [原创www.cnblogs.com/helesheng]
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本文介绍了国产可编程器件AG1280的全开发方法，使用AG1280和STM32开发了一个SPI接口的任意波形DDS，对初学者有一定的参考价值，也供大神批评指正。综合来看国产PLD器件AG1280具有CPLD的片上Flash，上电即行的优点，又具有FPGA才具备的片上RAM和PLL等资源，相比大厂的对应型号还有低功耗、低成本和小封装的优势，未来可期。
我之前用过的CPLD有Altera公司的MAX和MAX-II系列，主要有两个优点：1、程序存储在片上Flash，上电即行，保密性高。2、CPLD器件规模小，成本和功耗低，时序不收敛情况也不容易出现。缺点也很明显：1、没有片上RAM，无法对数据进行高速暂存和处理；2、没有PLL，使用一个以上的高频时钟非常不方便；3、没有小封装产品，MAX-II最小的EPM240也是LQFP100封装。近年来，随着Altera被Intel收购，对MAX-II的支持力度不断降低，当前EPM240的价格也达到了百元左右。
最近在B站关注到一种国产CPLD——AG1280Q48，几乎满足了我对CPLD的一切幻想：1、片上Flash，上电即行。2、有1280个LUT和触发器，资源足以媲美小型FPGA，而工作电流仅为几个mA——MAX-II的几分之一。3、成本低到数元。3、QFN48小封装，节约嵌入式系统空间，焊接又相对BGA封装简单。4、拥有和FPGA类似（包括PLL和片上RAM块）的资源，可用于完成以往CPLD无法完成的任务，如信号缓冲，高速通信等。
AG1280和STM32、GD32等低成本MCU联合使用时，能将只有专用解决方案才能完成的功能带给通用嵌入式系统。个人感觉，AG1280的最佳应用场景是在低成本应用领域和MCU协同工作， MCU+AG1280能部分替代Xilinx的Zynq方案。（注：AGM公司也有类似Zynq的ARM Cortex-M3 + FPGA方案，但我个人不看好这些方案，原因在于嵌入式工程师使用这些新MCU的开发环境和固件库的学习成本过高，没有学习动力。）
为验证这一设计思路，我自己动手做了一个MCU+AG1280+DAC的DDS（直接频率合成器）系统，跑通了STM32+AG1280的开发过程。其中AG1280除了完成DDS算法所需的地址累加、数据表格存储和查询之外，还实现了与STM32之间的同步串行数据接收和波形表格存入。现将开发全过程分享给各位网友，相信会对大家有一定的参考价值，也供大神批评指正。
有网友可能会较真质疑方案的意义：STM32有片上DAC，且还支持DMA，可以构成任意型号发生器，为什么还要用附加的可编程逻辑器件和DAC芯片？其原因在于STM32的DMA不支持存储器的地址递增值变化，因此不用中断无法实现DDS算法——而这也正好体现了AG1280在系统中的价值。
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一、硬件电路
MCU开发板很多，这里就不“重复发明轮子”了——直接用手头STM32开发板上的PMOD接口来和AG1280子板连接。系统硬件方案框图如下图所示。
（注1：PMOD接口是由Xilinx官方定义的一种用于其FPGA开发板的低速接口，现在很多FPGA和嵌入式处理器开发板上都有这种接口。PMOD仅使用12芯2.54mm间距的两排普通连接器，其中含有8个GPIO以及电源、地。
注2：有PMOD接口的单片机开发板可以自行搜索购买，我们教研室自己也开发过自编教材的配套Innovation-STM32开发板。）
图1 系统硬件框图
用STM32开发板的PMOD连接一块自制的，具有一主一从两个PMOD接口的AG1280板子，该板子的另一个PMOD接口用于连接DAC板子。至于DAC我选用了常见的低成本同步串行芯片DAC7512。AG1280板子和DAC板子的电路图如下所示。
图2 两个PMOD接口的AG1280电路原理图
图3 PMOD接口的DAC7512电路原理图
图2是AG1280基本电路，值得注意的有几点：
1、IO_GLOBE_S1(位于第9脚)、IO_GLOBE_S2(位于第13脚)、IO_GLOBE_S3(位于第15脚)、IO_GLOBE_S4(位于第19脚);IO_GLOBE_N1(位于第41脚) 、IO_GLOBE_N2(位于第44脚) 、IO_GLOBE_N3(位于第46脚)可以作为全局时钟输入管脚，可用于输入全局时钟。但若要使用PLL，则只能从13、15和19管脚输入。
2、图2电路板载一个20MHz有源晶振，另外还可以通过PMOD接口从STM32的MCO时钟输出管脚获得时钟，它们被连接到具有PLL输入功能的管脚13、15上。
3、AG1280的GPIO分为North和South两组，可以使用不同IO电平，以实现不同电平逻辑的转换。另外AG1280还需要3.3V电源作为片上Flash电源，且该电源域North组的IO电源共用，因此North组也只能使用3.3V的IO电源电压。South组却可以任选电源电压。
4、AG1280还需要1.2V内核电源电压，且该电源应略迟于Flash电源上电，以方便Flash加载程序。我的图2电路通过PMOD接口从STM32开发板获得3.3V电源，再用LDO芯片XC6206P122MR从3.3V向下稳压到1.2V内核电源，LDO后带有100uF电容,1.2V上电时间自然要落后于3.3V上电。
二、基于Supera和Quartus II的AG1280开发流程
AG1280的开发EDA软件Supera还不具备分析和综合电路的能力，但能实现其特有的PLL和片上RAM的IP核打包、综合后的布局布线、下载文件打包及下载等功能。我计划完成的DDS系统，完整的包含了PLL、片上RAM以及全部开发流程。
1、开发平台搭建
到百度网盘http://pan.baidu.com/s/1eQxc6XG 提取密码:q59e下载AGM公司EDA开发软件Supra（网盘上有多个版本的Supra，选择需要的一种即可）。Supra无需安装，下载后将其放置在不含中文的路径下，直接运行Bin目录下的Supra.exe即可。
目前版本的Supra还无法进行硬件描述语言及原理框图的开发和电路综合，用户只能在Supra下创建工程并完成AGM公司特有IP（包括PLL和RAM）的配置，再通过Supra创建Quartus-II工程文件，在转到Quartus-II下完成硬件描述语言和原理框图开发和电路综合，最后再回到Supra中完成器件内部的布局布线、下载文件的打包和器件烧写（具体流程在后续会详细介绍）。
综上，进行AG1280的开发一定需要安装一个顺手的Quartus-II。这里特别提醒网友注意，Supra只支持Quartus-II 13.0以上，且不支持Web与Lite版本，必须安装Full或Standard版本（本人掉到过坑里，因此特别提醒大家注意）。至于Quartus-II的安装方法，网上资料较多，这里不再赘述。
AG1280可以使用Intel的USB-Blaster进行下载和软件调试，但淘宝网上USB-Blaster版本较多，价格差异较大。据网传，有的版本USB-Blaster不支持AG1280的Flash下载，大家可自行注意避坑。
2、开发流程
1）新建Supra工程
运行 Supra，选择 File - Project - New Project。
图4 新建Supra工程
随后选择工程存放路径并填入工程名称，注意不要使用中文路径、过长路径，也不要在路径中使用空格。
2）配置AGM自有硬件IP
AGM公司自有的硬件及其相关电路的IP只能在Supra中配置。先配置PLL：选择Supra中Tools - CreateIP – Create Pll菜单，在弹出的下列界面中配置PLL。
图5 配置PLL IP
分别配置模块名称、输入频率、PLL类型、反馈模式、输出时钟路数、输出频率后，单击Generate按钮产生IP和顶层封装HDL文件（模块名称.v和模块名称.ip）。
其中值得注意的是：AG1280有两种时钟源模式：片内RC振荡器模式和片外有源振荡器模式。可以在反馈模式（Feedback mode）选项中选择EXT_FEEDBACK，以选择外部有源振荡器模式；选择NO_REFERENCE，以选择片上RC振荡器模式。片上RC振荡器振荡频率不会太准确，供不需要精确定时的系统使用。若选择片上振荡器则应在输入频率（Input frequency）处输入8MHz，否则真实输出频率将与你输入的频率成比例变化。
另外，Supra中AG1280的PLL配置中的PLL类型（PLL type），只能选择PLLX。而输出路数（PLL output count），相位移动（Phase shift）等配置参照字面意思理解即可。
继续配置AG1280的片上存储器RAM IP：选择Supra中Tools - CreateIP – Create memory菜单，在弹出的下列界面中配置片上BRAM。
图6 配置片上存储器IP
根据我的DDS系统设计思路，AG1280实现的DDS控制器能从MCU接收波形数据，同时向DAC输出实时波形数据，因此，需要实现一个双口RAM。如图6所示，将存储器IP配置为2个端口，每个端口的数据宽度都是12bits（DAC7512的分辨率为12位），存储器深度为256（DDS算法要求波形表深度为2的整数次幂）。AG1280片上RAM较多，也可以选择更大的存储器深度，以获得更高信噪比。
另外,我还选择了复位后从Flash向双口RAM内部加载初始数据，因此指定了初始化数据文件（Select init file）。根据DAC7512对数据数据格式的要求，这些数据是0-4095之间的无符号数，你可以通过MATLAB或Python等工具计算产生。注意，Supra数据文件的格式与Quartus-II的MIF、HEX都不一样；Supra要求数据文件中，每个数据占一行，且采用ASCII码表示十六进制数。例如下面一样。
862
893
8C4
8F5
925
956
986
9B6
完成IP配置后，单击Generate按钮，Supra将自动生成可在Quartus-II中调用的IP文件和Verilog HDL文件。
3）在Quartus-II中完成功能模块开发
单击Supra菜单中Tools – Migrate，将工程移植为Quartus-II工程。在下图所示的配置窗口中输入工程名称、器件、需要使用的之前创建的IP等信息后，单击Next按钮。
注：最下面一个对话栏中，需要输入所有需要转换到Quartus-II工程的IP名称，如果有多余一个IP需要转换，可以在两个路径之间用半角逗号分隔开来，也可以点击Browse按钮后同时多选多个IP文件。
图7 移植为Quartus-II工程
Supra弹出如下界面，可转入Quartus-II进行开发和综合电路。
图8 移植为Quartus-II工程
此时Supra已经在工程目录下建了与其工程同名的Quartus-II工程（xxxxx.qpf），以及顶层Verilog HDL文件，下一步需要在Quartus-II中打工程完成所有电路模块代码或原理图的开发。下图是我创建的DDS系统工程——DDS_SPI_dualRAM下的各个模块层次关系。
图9 Quartus-II工程
可以看到，在缺省情况下Quartus-II工程使用的器件是Cyclone IV系列的EP4CE75F29C8，我们不需要修改该工程使用的器件。但可以限定Quartus-II通过增量编译模式不编译Supra已经生成的IP：右键单击PLL IP和memory IP，并将其设置为Design Partition（该功能只有Prime和Standard版本的Quartus-II才有）。
图10 设置IP为Design Partition
在Quartus-II中运行Supra生成的脚本文件af_quartus.tcl：选择Quartus-II的Tools菜单下的Tcl scripts，并在弹出的窗口中运行工程目录下的af_quartus.tcl文件。
图11 Quartus-II运行Tcl脚本
Quartus-II将弹出Windows命令行窗口，等待综合工程中的所有模块，综合成功后Quartus-II的任务就完成了（这里可能需要几分钟）。
此时Supra已经自动生成了一个文件名与工程名相同，使用后缀asf的管教约束文件。该文件目前还是空的，可以其中添加约束器件管脚的脚本。asf文件的语法与Quartus-II的tcl脚本管脚约束语法相同，例如：
set_location_assignment -to cs_host1 PIN_43
set_instance_assignment -name WEAK_PULL_UP_RESISTOR ON -to cs_host1
set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS "AS INPUT TRI-STATED"
上面的脚本将cs_host1约束到了AG1280的43脚，并将其配置成了弱上拉模式，以防止干扰拉低cs_host1，造成数据误传输。
第三句将所有未用到的管脚约束为三态输入管脚。这是Altera初学者容易犯的一个错误，缺省情况下Quartus会将所有未用到的管脚连接到地，以降低干扰，但这会造成未用到的管脚将外围电路短路到地。不知道AGM有没有这个问题——无论如何还是把它们先配置为高阻态安全一些。
4）在Supra中完成AG1280的布局布线和程序下载烧写
根据图2的硬件电路编辑完asf文件，即可返回Supra的图8所示界面，单击Next按钮。（注：若你已经关闭了Supra也不要紧，再次打开Supra工程后，单击Migrate按钮重新进入图8所示界面即可）。在随后的界面中检查配置，并单击Finish按钮，Supra将完成布局布线。
若一切顺利，在Supra下部的Message窗口中间看到编译成功的提示信息，即可进入下载文件打包和USB Blaster下载配置文件阶段：选择Supra中的Tools – Program，连接电脑、USB Blaster以及AG1280板子的JTAG接口，在弹出的窗口中单击Query Device ID来查询Supra是否连接到AG1280。若正确连接了硬件，AG1280的ID应该是0x00120010。随后，可以在Program from file中选择需要下载的文件，单击Browse按钮选择所需的下载文件。其中xxxxx_sram.prg是直接烧写到AG1280的SRAM中；xxxxx_hybird.prg是烧写到Flash中，可以实现程序掉电不丢程序，上电即行。（文件名中的xxxxx是Supra工程的名称）。
图12 程序下载烧写界面
单击Program按钮，即可烧写刚才完成的程序。
三、在AG1280上实现基于DDS算法的任意波形发生器
为验证和测试AG1280的功能，我设计了基于DDS算法的任意波形发生器。AG1280内部的存储器RAM刚好可以用于存储MCU下载的DDS任意波形数据；另一方面，AG1280还定时地从RAM中读取波形数据用于DAC播放。为节约MCU和AG1280的管脚，它们之间的通信使用同步串行SPI接口，DAC7512也使用SPI兼容的同步串行接口。其中用于控制任意波形频率的DDS算法是AG1280要实现的核心算法，它的基本原理如下。
1、DDS原理
DDS算法的功能特点是可以获得非常高的频率分辨率，以取得近乎连续的频率调节效果。下面简述一下DDS算法的核心思想，帮助读者理解AG1280上的硬件模块的原理和相互关系。一时无法理解的初学者，可以进一步阅读其他介绍DDS原理的书籍和帖子。
假设存储器中有个长度为N=2^n的波形数据表格，这些数据为1个周期的波形。若用频率fc从该表格中每间隔K个点取出一个放入DAC中变为模拟信号，则DAC输出模拟信号的频率将是：
fo = fc * K / N （1）
从（1）式中可以看出输出模拟信号的频率fo和每次在数据表格中跳跃的地址数K成正比：K每增加1，输出频率fo就增加fc/N，因此K被称为"频率控制字"。为获得足够搞得频率分辨率，即使得fo输出的频率能够接近连续的调节，N的数值应该越大越好。一些ADI公司的商业DDS芯片，N甚至达到了2^40 ≈ 1T，这样大的表格显然是无法直接存储在AG1280中的。好在用1T个点来存储一个周期的信号其实并没有多大意义：在表格中相临的很多点大概率都是相同的内容。既然相邻点的数据都差不多，还不如不存储——在波形表格中每相临2^p个点，只存储第一个点的数值，如果用到后续2^p - 1个点，则都用第一个点的数值来代替。则AG1280所需的数据表格长度仅为2^(N-p) = 2^n（其中，设n = N-p）,这样在AG1280中只需要长度N位的累加器和频率控制字，他们在时钟控制下不断相加新的表格地址（也是N位），但在读波形表时，只使用这个N位地址的高n位，低p位地址则直接舍弃。
我们的系统使用的DAC是DAC7512，其输出模拟信号的刷新率fc为100KSPS，精度为12bits，取N为16，n为8。即所需的存储器为256（2^8）个12位（具体配置参见图6所示），地址累加器和频率控制字为16位。获得的频率分辨率为100K / 2^16 ≈ 1.53Hz，理论上频率调节范围上限为：100K / 2 = 50KHz（奈奎斯特频率），频率下限为：100K / 2^16 ≈ 1.53Hz。
2、硬件总体设计
AG1280中的整个电路以双口RAM（Dual Port RAM）为核心，其左侧接口与MCU相连，用于接收MCU下发的波形数据和频率控制字K的数值；右侧接口和DAC7512相连，用于依次输出DDS算法输出的数据。
双口RAM左侧地址由一个每次加1的计数器产生，以遍历所有的存储单元；右侧地址由一个每次加K（频率控制字）的加法器产生，以实现DDS算法的频率控制。由于双口RAM的深度256刚好是2的整数次幂，所以无需特意处理计数器和加法器的溢出问题，溢出后自然返回地址开头即可。
AG1280中还应实现两个SPI接口：一个SPI从机接口（通过左侧的PMOD接口）用于接收来自MCU的数据；另一个SPI主机接口（通过右侧的PMOD接口）用于向同步串行接口的DAC7512下发数据。
左侧与MCU的接口除了需要接收波形数据之外，还需要接收频率控制字K。我通过两个管脚分别输出两个低电平选通信号cs1和cs2来区分当前下发的数据是波形数据还是频率控制字。
3、硬件实现
3.1 双口RAM右侧与DAC接口的电路部分
1）DAC输出同步时钟生成电路
DAC7512需要使用100KSPS的刷新率，需要25MHz的主时钟分配产生输出同步时钟信号sap_syc_sig,该信号还将同步双口RAM右侧的读取和DDS地址累加器的不断叠加。
1 module samp_syc_sig( 2 input clk_25m, 3 input nrst, 4 output samp_syc_sig 5 ); 6 reg[9:0] time_cnt; 7 wire comp; 8 reg samp_syc_sig_reg; 9 assign samp_syc_sig = samp_syc_sig_reg; 10 always @ (negedge clk_25m or negedge nrst) 11 begin 12 if(!nrst) 13 time_cnt[9:0] <= 10'd0; 14 else 15 if(time_cnt[9:0] < 10'd249) 16 time_cnt[9:0] <= time_cnt[9:0] + 10'd1; 17 else 18 time_cnt[9:0] <= 10'd0; 19 end 20 //以下组合逻辑用于产生start信号 21 assign comp = (time_cnt[9:0] < 10'd20) ? 1'b1 : 1'b0; 22 always @ (negedge clk_25m or negedge nrst) 23 begin 24 if(!nrst) 25 samp_syc_sig_reg <= 1'b0; 26 else 27 samp_syc_sig_reg <= comp; 28 end 29 endmodule
2）与DAC7512通信的SPI主机电路
1 module DAC7512( 2 input clk_25m,//25MHz左右的时钟信号 3 input nrst,//低电平复位 4 input syc_sig,//外部产生的同步输出信号，当其出现上升沿时刷新输出电压 5 output cs_da, 6 output mosi_da, 7 output sck_da, 8 input [11:0] data_in//待转换的数据，在每次开始转换之前被锁存到模块中，只有低12位有效 9 ); 10 reg[7:0] cnt_cs; 11 reg cs_da_reg; 12 reg sck_da_reg; 13 reg[2:0] sck_timer;//用于测量单个DAC通信时钟长度的计数器 14 /////////以下用25MHz时钟，产生片选信号//////// 15 assign cs_da = cs_da_reg; 16 always @ (posedge clk_25m or negedge nrst) 17 begin 18 if(!nrst) 19 begin 20 cnt_cs[7:0] <= 8'd0; 21 cs_da_reg <= 1'b1; 22 end 23 else begin 24 if(syc_sig == 1'b1)//同步信号高电平时，回复到计数初始状态 25 begin 26 cnt_cs[7:0] <= 8'd0; 27 cs_da_reg <= 1'b1; 28 end 29 else 30 begin 31 if(cnt_cs[7:0] < 8'd98) //98个脉冲,少一个防止竞争现象 32 begin 33 cnt_cs[7:0] <= cnt_cs[7:0] + 8'd1; 34 cs_da_reg <= 1'b0; 35 end 36 else begin 37 cnt_cs[7:0] <= cnt_cs[7:0]; 38 cs_da_reg <= 1'b1; 39 end 40 end 41 end 42 end 43 ////////以下产生串行同步输出时钟//////////// 44 assign sck_da = sck_da_reg; 45 always @(posedge clk_25m or posedge cs_da) 46 begin 47 if(cs_da) 48 begin 49 sck_timer[2:0] <= 3'd0; 50 sck_da_reg <= 1'b0; 51 end 52 else begin 53 if(sck_timer[2:0] < 3'd2) 54 begin 55 sck_timer[2:0] <= sck_timer[2:0] + 3'd1; 56 sck_da_reg <= sck_da_reg; 57 end 58 else begin 59 sck_timer[2:0] <= 3'd0; 60 sck_da_reg <= !sck_da_reg; 61 end 62 end 63 end 64 ///////////产生串行输出信号，需要串行输出的数据在CS下降沿在并行输入口被锁存///////// 65 reg[16:0] shift_reg; 66 //注意这里多一个位，是因为DAC7512在下降沿读取数据，而我们的数据在第一个SCK脉冲上升沿就开始移出，因此会多移出一个位（第一位） 67 assign mosi_da = shift_reg[16]; 68 always @ (posedge sck_da or posedge cs_da) 69 begin 70 if(cs_da) 71 shift_reg[16:0] <= {5'b00000,data_in[11:0]};//对于dac7512而言，最高四位为0000，表示输出使能，且连接1KΩ负载 72 else 73 shift_reg[16:0] <= shift_reg[16:0]<<1; 74 end 75 endmodule
上面的代码，使用独立的计数器分别产生SCK和CS信号，避免了由于组合逻辑信号链过长可能造成的建立时间不收敛问题。另外输入数据data_in只有12位，其内容就是模拟信号大小。DAC7512的SPI通信中需要使用16位数据，其高四位被上面的模块自动补充为控制字4’b0000,需要使用其他控制模式的网友，可以根据DAC7512手册自行修改。
3）DDS地址累加器电路
1 module addr_adder( 2 input clk, 3 input nrst, 4 input[15:0] delta_addr, 5 output[7:0] high_byte_addr 6 ); 7 reg[15:0] inc_addr_reg; 8 assign high_byte_addr[7:0] = inc_addr_reg[15:8]; 9 always @(posedge clk or negedge nrst) 10 begin 11 if(!nrst) 12 inc_addr_reg[15:0] <= 16'H0; 13 else 14 inc_addr_reg[15:0] <= inc_addr_reg[15:0] + delta_addr[15:0]; 15 end 16 endmodule
注意，根据DDS算法，16位的累加器每次增加的值也是16位的频率控制字delta_addr（相当于公式（1）中的K），但每次只输出累加器的高8位作为双口RAM右侧的地址。
3.2 双口RAM左侧与MCU接口的电路部分。
4）根据不同片选信号，将MCU的SPI信号分解为波形数据和频率控制字的数据多路器电路
1 module mux_HostSpi( 2 input mosi, 3 input sck, 4 input cs1, 5 input cs2, 6 output mosi_ram, 7 output mosi_DdsDelta, 8 output sck_ram, 9 output sck_DdsDelta 10 ); 11 assign mosi_ram = mosi & (!cs1);//输入CS1为低电平时，spi信号被送到双口ram一侧 12 assign mosi_DdsDelta = mosi & (!cs2);//输入CS2为低电平时，spi信号被送到DDS频率控制字 13 assign sck_ram = sck & (!cs1);//输入CS1为低电平时，spi信号被送到双口ram一侧 14 assign sck_DdsDelta = sck & (!cs2);//输入CS2为低电平时，spi信号被送到DDS频率控制字 15 endmodule
上述信号可以根据MCU输出的两个不同的片选信号cs1和cs2将MCU输出的mosi、sck信号分解为连接波形数据双口RAM的mosi_ram、sck_ram，以及与频率控制字向量的mosi_DdsDelta和sck_DdsDelta。
5）SPI从机接收寄存器电路
1 module shift_reg( 2 input mosi, 3 input sck, 4 input nrst,//低电平复位 5 input[15:0] ini_data,//复位后的初始化值 6 output[15:0] data_out 7 ); 8 reg[15:0] shft_r; 9 assign data_out[15:0] = shft_r[15:0]; 10 always @ ( posedge sck or negedge nrst) 11 begin 12 if(!nrst)//复位后初始化为初始值 13 shft_r[15:0] <= ini_data[15:0]; 14 else 15 shft_r[15:0] <= {shft_r[14:0],mosi}; 16 end 17 endmodule
这个电路被例化为两个实例，分别用于接收波形数据或频率控制字。读者也可以只例化一个SPI从机移位寄存器，但这样做数据多路器就要放在移位寄存器并行化之后。这一点可以根据器件资源消耗情况灵活决定。
6）双口RAM左侧地址生成电路
1 module addr_generator( 2 input clk, 3 input nrst, 4 output[7:0] inc_addr 5 ); 6 reg[7:0] inc_addr_reg; 7 assign inc_addr[7:0] = inc_addr_reg[7:0]; 8 always @(posedge clk or negedge nrst) 9 begin 10 if(!nrst) 11 inc_addr_reg[7:0] <= 8'd0; 12 else 13 inc_addr_reg[7:0] <= inc_addr_reg[7:0] +1'b1; 14 end 15 endmodule
这个地址生成电路用于产生将接收到的波形数据依次存入双口RAM所需的地址，是一个简单的带异步复位信号的加1增计数器。
注意：1、该计数器的时钟应使用MCU产生的波形数据片选信号cs1，这样在每次一个地址单元的数据传输后，可以产生下一个单元的地址。2、该电路需要一个异步复位，以实现双方地址的同步，MCU可以在每次开始一个新的波形数据传输之前，输出该复位信号，以实现MCU和AG1280之间的地址同步。
7）LED闪烁电路
LED闪烁电路并不是必须的，加上该电路是为了监测系统时钟是否正常工作。读者可以根据实际情况自信选择，代码不再给出。
8）顶层例化文件
顶层例化文件用于连接上述各个模块电路
1 module DDS_SPI_dualRAM( 2 input clk, 3 input nrst, 4 output led, 5 output samp_syc_sig, 6 output mosi, 7 output sck, 8 output cs, 9 //以下连接主机接收波形数据的SPI线 10 input sck_host, 11 input mosi_host, 12 input cs_host1,//主机输出的第一个cs,用于选通和数据RAM通信 13 input cs_host2,//主机输出的第而个cs,用于选通和DDS累加器增加值寄存器 14 //以下测试管脚 15 output test_pin 16 ); 17 //wire samp_syc_sig; 18 wire[7:0] dds_addr; 19 wire[11:0] tab_data; 20 wire[15:0] delta_addr; 21 wire clk_25m; 22 assign test_pin = inc_addr_host[0]; 23 //assign clk_25m = clk; 24 //////////////从板载20MHz有源振荡通过PLL产生25MHz时钟///////// 25 expll_2_25M i_ex_pll_25M( 26 .clkin(clk), 27 .clkfb(clk_25m), 28 .pllen(1'b1), 29 .resetn(nrst), 30 .clkout0en(1'b1), 31 .clkout1en(1'b0), 32 .clkout2en(1'b0), 33 .clkout3en(1'b0), 34 .clkout0(clk_25m), 35 .clkout1(), 36 .clkout2(), 37 .clkout3(), 38 .lock() 39 ); 40 //////////////以下DAC侧的电路描述///////////// 41 samp_syc_sig i_syc_sig(//产生DAC输出的时钟 42 .clk_25m(clk_25m), 43 .nrst(nrst), 44 .samp_syc_sig(samp_syc_sig) 45 ); 46 47 run_led i_led( 48 .clk(clk_25m), 49 .nrst(nrst), 50 .led(led) 51 ); 52 DAC7512 iDAC7512( 53 .clk_25m(clk_25m), 54 .nrst(nrst), 55 .syc_sig(samp_syc_sig), 56 .cs_da(cs), 57 .mosi_da(mosi), 58 .sck_da(sck), 59 .data_in(tab_data[11:0]) 60 ); 61 //////////////以下双口RAM侧的电路描述///////////// 62 wire[15:0] data_host;//从主机接收的数据的并行接口 63 wire[7:0] inc_addr_host;//连接到主机端存储器端口的地址线，由计数器自动产生 64 wire mosi_ram_host,mosi_DdsDelta_host,sck_ram_host,sck_DdsDelta_host; 65 wire[15:0] delta_val; 66 dualRAM_DATA i_dualRAM_DATA( 67 .Clk0(cs_host1),//用接收端串行接收选通信号作为存储信号的时钟 68 .Clk1(samp_syc_sig), 69 .ClkEn0(1'b1), 70 .ClkEn1(1'b1),//时钟有效信号，可以一直为高 71 .AsyncReset0(1'b0),//复位信号，高有效，可以一直不复位 72 .AsyncReset1(1'b0),//复位信号，高有效，可以一直不复位 73 .WeRenA(1'b1),//写数据有效信号，高有效 74 .ReB(1'b1 ), //端口1读数据有效信号，高有效 75 .DataInA(data_host[11:0]),//只使用接收数据的低12位 76 .AddressA(inc_addr_host[7:0]), 77 .AddressB(dds_addr[7:0]), 78 .DataOutB(tab_data[11:0]) 79 ); 80 //////////////以下主控MCU侧的电路描述///////////// 81 mux_HostSpi i_mux_HostSpi(//数据多路器，用于选择SPI口初始化的是RAM还是DDS累加地址 82 .mosi(mosi_host), 83 .sck(sck_host), 84 .cs1(cs_host1), 85 .cs2(cs_host2), 86 .mosi_ram(mosi_ram_host), 87 .mosi_DdsDelta(mosi_DdsDelta_host), 88 .sck_ram(sck_ram_host), 89 .sck_DdsDelta(sck_DdsDelta_host) 90 ); 91 //以下移位寄存器用于通过CS1选通后接收主机发来的波形数据 92 shift_reg i_ram_shift_reg_host( 93 .mosi(mosi_ram_host), 94 .sck(sck_ram_host), 95 .nrst(nrst),//低电平复位 96 .ini_data(16'd0), 97 .data_out(data_host[15:0]) 98 ); 99 addr_generator i_addr_generator_host(//每次加一的方式遍历所有地址 100 .clk(cs_host1), 101 .nrst(nrst), 102 .inc_addr(inc_addr_host[7:0]) 103 ); 104 //以下移位寄存器用于通过CS2选通后接收主机发来的地址累加值 105 shift_reg i_delta_shift_reg_host( 106 .mosi(mosi_DdsDelta_host), 107 .sck(sck_DdsDelta_host), 108 .nrst(nrst),//低电平复位 109 .ini_data(16'd328),//复位后的初始化为500Hz输出 110 .data_out(delta_val[15:0]) 111 ); 112 addr_adder i_dds_addr_adder(//DDS算法产生下一个需要DAC数据数据的地址 113 .clk(samp_syc_sig), 114 .nrst(nrst), 115 .delta_addr(delta_val[15:0]), 116 .high_byte_addr(dds_addr[7:0]) 117 ); 118 endmodule
4、MCU软件实现
MCU软件通过SPI口完成波形数据和频率控制字的下载。SPI应配置为时钟空闲时低电平（CPOL=0），第一个脉冲边沿读取数据（CPHA=0）的模式。此处不再给出MCU初始化代码，仅给出下载波形表格和频率控制字函数的代码。
1 //配置波形函数 2 void set_wave(unsigned char wave_type) 3 //波形类型0：正弦；1：三角；2：墨西哥草帽 4 { 5 unsigned short i; 6 switch(wave_type) 7 { 8 case 0://选择正弦波 9 for(i = 0; i<256 ; i++) 10 { 11 CS_wave_reg = 0; 12 SPIx_ReadWrite16bit(sin_tl[i]); 13 CS_wave_reg = 1; 14 delay_us(2); 15 } 16 break; 17 case 1://选择三角波 18 for(i = 0; i<256 ; i++) 19 { 20 CS_wave_reg = 0; 21 SPIx_ReadWrite16bit(trg_tl[i]); 22 CS_wave_reg = 1; 23 delay_us(2); 24 } 25 break; 26 case 2://选择墨西哥草帽小波基 27 for(i = 0; i<256 ; i++) 28 { 29 CS_wave_reg = 0; 30 SPIx_ReadWrite16bit(mexhat_tl[i]); 31 CS_wave_reg = 1; 32 delay_us(2); 33 } 34 break; 35 default: 36 break; 37 } 38 } 39 40 //配置频率控制字函数 41 #define DAC_CLK 100000 //DAC的输出频率对DAC7512为100K 42 //设置输出频率 43 void set_frq(unsigned short frq) 44 //输出频率范围必须在1-50_000Hz 45 { 46 unsigned short temp_short; 47 temp_short = (float)65536/DAC_CLK * frq + 0.5;//加0.5是为了消除舍弃误差 48 CS_delta_reg = 0;//选通累加器增加值配置寄存器 49 SPIx_ReadWrite16bit(temp_short); 50 CS_delta_reg = 1; 51 }
这里我做实验的几种波形的数据也罗列一下，以方便网友验证和测试。
1 const unsigned short trg_tl[256]= 2 //以下三角波 3 { 4 1000,1020,1040,1060,1080,1100,1120,1140,1160,1180,1200,1220,1240,1260,1280,1300,1320,1340,1360,1380, 5 1400,1420,1440,1460,1480,1500,1520,1540,1560,1580,1600,1620,1640,1660,1680,1700,1720,1740,1760,1780, 6 1800,1820,1840,1860,1880,1900,1920,1940,1960,1980,2000,2020,2040,2060,2080,2100,2120,2140,2160,2180, 7 2200,2220,2240,2260,2280,2300,2320,2340,2360,2380,2400,2420,2440,2460,2480,2500,2520,2540,2560,2580, 8 2600,2620,2640,2660,2680,2700,2720,2740,2760,2780,2800,2820,2840,2860,2880,2900,2920,2940,2960,2980, 9 3000,3020,3040,3060,3080,3100,3120,3140,3160,3180,3200,3220,3240,3260,3280,3300,3320,3340,3360,3380, 10 3400,3420,3440,3460,3480,3500,3520,3540,3540,3520,3500,3480,3460,3440,3420,3400,3380,3360,3340,3320, 11 3300,3280,3260,3240,3220,3200,3180,3160,3140,3120,3100,3080,3060,3040,3020,3000,2980,2960,2940,2920, 12 2900,2880,2860,2840,2820,2800,2780,2760,2740,2720,2700,2680,2660,2640,2620,2600,2580,2560,2540,2520, 13 2500,2480,2460,2440,2420,2400,2380,2360,2340,2320,2300,2280,2260,2240,2220,2200,2180,2160,2140,2120, 14 2100,2080,2060,2040,2020,2000,1980,1960,1940,1920,1900,1880,1860,1840,1820,1800,1780,1760,1740,1720, 15 1700,1680,1660,1640,1620,1600,1580,1560,1540,1520,1500,1480,1460,1440,1420,1400,1380,1360,1340,1320, 16 1300,1280,1260,1240,1220,1200,1180,1160,1140,1120,1100,1080,1060,1040,1020,1000 17 }; 18 //以下正弦波 19 const unsigned short sin_tl[256]= 20 { 21 2048,2097,2146,2195,2244,2293,2341,2390,2438,2486,2534,2581, 22 2629,2675,2722,2768,2813,2858,2903,2947,2991,3034,3076,3118,3159,3200, 23 3239,3278,3317,3354,3391,3427,3462,3496,3530,3562,3594,3625,3654,3683, 24 3711,3738,3763,3788,3812,3834,3856,3876,3896,3914,3931,3947,3962,3976, 25 3988,3999,4010,4019,4026,4033,4038,4043,4046,4047,4048,4047,4046,4043, 26 4038,4033,4026,4019,4010,3999,3988,3976,3962,3947,3931,3914,3896,3876, 27 3856,3834,3812,3788,3763,3738,3711,3683,3654,3625,3594,3562,3530,3496, 28 3462,3427,3391,3354,3317,3278,3239,3200,3159,3118,3076,3034,2991,2947, 29 2903,2858,2813,2768,2722,2675,2629,2581,2534,2486,2438,2390,2341,2293, 30 2244,2195,2146,2097,2048,1999,1950,1901,1852,1803,1755,1706,1658,1610, 31 1562,1515,1467,1421,1374,1328,1283,1238,1193,1149,1105,1062,1020,978, 32 937,896,857,818,779,742,705,669,634,600,566,534,502,471,442,413,385, 33 358,333,308,284,262,240,220,200,182,165,149,134,120,108,97,86,77,70, 34 63,58,53,50,49,48,49,50,53,58,63,70,77,86,97,108,120,134,149,165,182, 35 200,220,240,262,284,308,333,358,385,413,442,471,502,534,566,600,634, 36 669,705,742,779,818,857,896,937,978,1020,1062,1105,1149,1193,1238, 37 1283,1328,1374,1421,1467,1515,1562,1610,1658,1706,1755,1803,1852, 38 1901,1950,1999 39 }; 40 //以下墨西哥草帽小波基 41 const unsigned short mexhat_tl[256]= 42 { 43 1221,1219,1217,1215,1213,1211,1208,1205,1202,1199,1195,1191,1187,1182, 44 1177,1172,1166,1160,1153,1145,1137,1129,1119,1109,1099,1088,1076,1063, 45 1049,1035,1020,1003,986,968,950,930,909,887,865,841,817,791,765,738, 46 710,681,651,621,590,559,527,495,463,430,398,365,333,302,270,240,210, 47 182,155,129,105,83,63,46,31,18,9,3,0,1,5,14,27,44,65,91,122,158,198, 48 244,294,350,411,476,547,622,703,787,877,970,1068,1169,1274,1382,1493, 49 1606,1722,1839,1958,2077,2197,2316,2436,2554,2670,2785,2897,3006,3111, 50 3213,3310,3402,3489,3571,3646,3715,3777,3831,3879,3919,3951,3976,3992, 51 4000,4000,3992,3976,3951,3919,3879,3831,3777,3715,3646,3571,3489,3402, 52 3310,3213,3111,3006,2897,2785,2670,2554,2436,2316,2197,2077,1958,1839, 53 1722,1606,1493,1382,1274,1169,1068,970,877,787,703,622,547,476,411,350, 54 294,244,198,158,122,91,65,44,27,14,5,1,0,3,9,18,31,46,63,83,105,129,155, 55 182,210,240,270,302,333,365,398,430,463,495,527,559,590,621,651,681,710, 56 738,765,791,817,841,865,887,909,930,950,968,986,1003,1020,1035,1049,1063, 57 1076,1088,1099,1109,1119,1129,1137,1145,1153,1160,1166,1172,1177,1182,1187, 58 1191,1195,1199,1202,1205,1208,1211,1213,1215,1217,1219,1221 59 }; 60 const unsigned short test_tl[256]= //用于测试的不完整锯齿波 61 { 62 10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210, 63 220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400, 64 410,420,430,440,450,460,470,480,490,500,510,520,530,540,550,560,570,580,590, 65 600,610,620,630,640,650,660,670,680,690,700,710,720,730,740,750,760,770,780, 66 790,800,810,820,830,840,850,860,870,880,890,900,910,920,930,940,950,960,970, 67 980,990,1000,1010,1020,1030,1040,1050,1060,1070,1080,1090,1100,1110,1120,1130, 68 1140,1150,1160,1170,1180,1190,1200,1210,1220,1230,1240,1250,1260,1270,1280, 69 1290,1300,1310,1320,1330,1340,1350,1360,1370,1380,1390,1400,1410,1420,1430, 70 1440,1450,1460,1470,1480,1490,1500,1510,1520,1530,1540,1550,1560,1570,1580, 71 1590,1600,1610,1620,1630,1640,1650,1660,1670,1680,1690,1700,1710,1720,1730, 72 1740,1750,1760,1770,1780,1790,1800,1810,1820,1830,1840,1850,1860,1870,1880, 73 1890,1900,1910,1920,1930,1940,1950,1960,1970,1980,1990,2000,10,20,30,40,50, 74 60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250, 75 260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440, 76 450,460,470,480,490,500,510,520,530,540,550,560 77 };
三、总结
1、实际测试
1）系统
下图是本文使用国产CPLD器件AG1280设计的DDS系统。实验系统看起来有点丑，请大家海涵。
图13 实际制作的DDS系统
2）功能实测
本文设计的DDS系统相比于ADI公司商业化的DDS芯片，最大的特点在于可以自己下载所需的波形，我测试了一个信号处理领域常用的小波基——墨西哥草帽小波基作。需要使用下面的MATLAB代码产生所需的数据。
1 y = mexihat(-4,4,256);%调用matlab小波函数 2 %%%%以下代码将浮点结果标准化为12位的DAC7512可以接收的数据 3 y = y - min(y); 4 y = y / max(y); 5 y=round(4000*y);
用STM32的SPI1口把上面MATLAB脚本产生的数据下发到AG1280中的DDS系统后得到频率/周期可以调节的墨西哥草帽函数周期波形，用示波器观察1.5KHz的波形如下图所示。
图14 用本DDS系统产生的频率可调墨西哥草帽小波基函数
可以看到不论是频率的准确性，还是波形的完整性均达到了设计预期。
3）AG1280占用资源、功耗和上电运行时间实测
本文设计的DDS系统占用AG1280资源如下：
图15 AG1280资源占用情况
可以看到逻辑资源仅使用了10-20%，而存储器资源仅使用了10%左右（当然有可能随着DDS波形表格增长而变大）。可以想见AG1280的资源能够满足一般的MCU+FPGA的嵌入式系统需要。
另外，据实测本系统中的AG1280在25MHz工作频率，PLL打开的情况下，功耗约为5mA左右。
本次测试中唯一让我觉得意外的是AG1280的上电配置时间——可达100ms-300ms。仔细想来也可以理解：AG1280需要从其片上Flash中读取程序，在配置到内部的查找表中方能正常使用，肯定要比STM32一类直接在Flash中运行程序的器件要慢。但在使用中就需要如果与STM32等MCU配合，在MCU上电后延时一段时间再和AG1280通信。
2、AG1280和Supra使用感慨
国产PLD器件一路走来不容易，虽然存在套用国外大厂EDA软件，支持文档不足，工具不够专业等等问题——但瑕不掩瑜，AG1280已经具有相当的可用性和市场竞争能力。
