基于FPGA的多路正弦波信号发生器专用芯片设计

信号发生器技术正逐渐成熟，各种直接数字频率合成器(DDS)集成电路如AD9850等已得到广泛应用；FPGA方面也已经有相关的DDS设计。但DDS专用芯片还很少见。本文介绍了一种工作频率为25 MHz、可进行异步串行通信、频率相位可调的3路正弦波信号发生器专用芯片的设计方法。

    本设计采用OR1200处理器作为主控制器，通过Wishbone总线将3个DDS模块、UART控制器模块、片内RAM模块连接到系统中，构建出一个硬件平台；然后对OR1200进行软件编程，使UART控制器接收专用芯片外部异步串口传送的数据，将这些数据进行处理后传送到DDS模块相应寄存器，从而产生特定频率相位的正弦波信号；最后将程序固化到片内RAM中，在FPGA上实现多路正弦波信号发生器专用芯片的设计。

1 理论分析

    直接数字频率合成技术是20世纪60年代末出现的第三代频率合成技术。该技术从相位概念出发，以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。DDS频率转换速度快、频率分辨率高，并在频率转换时可保持相位的连续，因而易于实现多种调制功能。DDS是全数字化技术，其幅度、相位、频率均可实现程控，并可通过更换波形数据灵活实现任意波形。本设计实现频率相位可控的正弦波输出。所用DDS IP软核原理框图如图1所示(未给出时钟和复位信号)。

    图1中，ftw_i为频率控制字，phase_i为相位控制字，ampl_o为正弦波信号幅度输出，phase_o为正弦波信号相位输出。本设计中频率控制字的位宽为32位，选用的ROM波形数据为10×10结构，因此相位控制字的位宽为10位，正弦波幅度输出位宽也为10位。
    图1中第1个加法器和第1个单位延时电路构成相位累加器。它在时钟的控制下以步长ftw_i做累加，输出的N位二进制码与M位相位控制字phase_i相加作为波形ROM的地址。由于在ROM中存取的是1/4周期的正弦波形数据，因此，根据正弦波不同的象限，由相位控制字的2个最高有效位(MSB)来控制是否对波形ROM地址进行移位或者对幅度输出进行反相，最终输出10位的正弦波数字信号。

    频率相位值从UART串口输入，OR1200处理器根据式(1)和式(2)对数据进行处理得出频率相位控制字，赋给相应DDS模块的频率相位寄存器，从而输出特定频率相位的正弦波信号[1]。
2 专用芯片硬件设计
2.1 专用芯片总体结构设计
    正弦波信号发生器专用芯片的结构框图如图2所示。Wishbone总线是整个硬件平台的系统总线，OR1200处理器的数据BIU(Bus Interface Unit)和指令BIU作为Wishbone总线的主设备，UART控制器、3个DDS模块以及FPGA片上RAM作为Wishbone总线的从设备，它们通过Wishbone总线连接到系统中。OR1200是整个硬件平台的主控制器，控制该专用芯片配置数据的读入与转换。UART控制器模块主要实现该专用芯片与外部异步串口的通信，负责读入配置数据。3个DDS模块是产生正弦波信号的核心模块，根据频率控制字和相位控制字产生特定频率相位的正弦波信号。FPGA片上RAM作为该专用芯片的片内RAM，系统软件要固化在RAM中。OR1200处理器、Wishbone总线、UART控制器模块及片内RAM模块的时钟直接连到外部时钟源上，3个DDS模块的时钟由外部时钟源通过PLL倍频得到。本专用芯片为低电平复位。

2.2 OR1200处理器
    OpenRISC1200处理器(简称OR1200)是Opencores组织发布维护的基于GPL并属于OpenRISC1000序列的一款RISC处理器。OR1200是32位RISC，它具有哈佛结构、5级整数流水线，支持虚拟内存(MMU)，带有基本的DSP功能，并且外部数据和地址总线接口符合Wishbone标准[2]。
    OR1200通用框架由CPU/DSP核心、直接映射的数据Cache、直接映射的指令Cache、基于DTLB的Hash表的数据MMU和指令MMU、电源管理单元及接口、Tick定时器，调试单元及开发接口、中断控制器和中断接口、指令及数据Wishbone主机接口[3]组成。
2.3 片内RAM设计
    片内RAM由Altera公司的EDA工具QuartusII中MegaWizard Plug-In Manager…生成。它为单端口RAM，数据总线32位，大小为8 KB。编写的固化软件程序编译链接后转换为hex格式，在RAM初始化时固化到其中。由QuartusII生成的片内RAM模块不具有Wishbone接口，本设计为其添加了1个Wishbone总线接口。[!--empirenews.page--]
2.4 DDS模块
    DDS模块也是Opencores上的开源IP软核，没有标准的Wishbone接口模块，本设计为DDS模块添加了1个Wishbone总线接口。该DDS模块主要有两类配置数据：频率控制字和相位控制字。给DDS模块加入2个硬件寄存器DDS_FTW和DDS_PHASE，利用这2个寄存器来控制连接到Wishbone总线接口上的输出数据是频率控制字还是相位控制字。
2.5 UART控制器模块
    UART控制器模块是Opencores上符合工业标准16550A的开源IP核。该IP核的设计采用Wishbone总线接口规范，支持可选择的32位数据模式和8位数据模式；使用FIFO操作实现，寄存器及所实现的具体功能符合NS16550A标准[4]。在本设计中，UART控制器的波特率默认值为9 600 b/s，UART控制器模块用于与专用芯片外部UART串口通信，通过URXD引脚接收外部串口数据，通过UTXD向外部串口发送数据。
2.6 Wishbone总线主从设备分配
    Wishbone总线仲裁采用Opencores上开源软核wb_conmax，为8×16结构，即在该Wishbone总线模块中可以使用8个主设备和16个从设备[5]。本系统中，OR1200的指令和数据单元为Wishbone总线的主设备；片内RAM模块、URAT控制器模块以及3个DDS模块为Wishbone总线的从设备。
    根据各子模块在Wishbone总线上的位置和wb_conmax的逻辑实现，相应从设备的地址分配如下：
    片内RAM   ：  0x00000000
    DDS1        ：  0x10000000
    DDS2        ：  0x20000000
    DDS3        ：  0x30000000
    UART        ：  0x90000000
2.7 顶层模块设计
    本系统顶层模块例化各子模块，采用Wishbone总线接口技术将各个子模块集成在一起，为每个子模块分配时钟和复位信号，实现硬件平台的总体设计。设计中所用FPGA开发板的时钟为50 MHz，OR1200处理器时钟为25 MHz，Wishbone总线时钟为25 MHz，3个DDS模块时钟为100 MHz。其他模块的时钟都为25 MHz，设计中所用时钟都是通过FPGA芯片中的PLL分频及倍频实现的。正弦波专用芯片的时钟设为各模块时钟的最小值(25 MHz)，3个DDS模块的100 MHz时钟通过PLL倍频实现。各模块的复位信号由顶层模块统一分配。
3 专用芯片固化程序设计
    正弦波信号发生器专用芯片的固化程序主要包括UART控制器初始化程序和串口数据处理程序两部分：UART控制器初始化程序初始化UART控制器中的各个寄存器，使该控制器能够正常工作。串口数据处理程序采用查询方式接收串口数据，将接收到的数据赋给相应寄存器变量，根据式(1)和式(2)进行计算，得到3路DDS模块的频率控制字和相位控制字，其固化程序流程图如图3所示。固化程序首先初始化OR1200处理器的各个寄存器，然后对UART控制器进行初始化，最后循环处理串口数据。

3.1 UART控制器初始化程序
    UART控制器中的寄存器都是8位或16位，通过对UART控制器的寄存器赋值来初始化UART控制器。上电复位后UART控制器的初始化工作包括：
    (1)清空接收和发送FIFO。
    (2)清零接收和发送移位寄存器。
    (3)关闭中断。
    (4)设置Line控制寄存器为8个数据位、1个停止位、无奇偶校验的通信模式。
    (5)读取Line控制寄存器的值，将其最高位置1，允许Divisor锁存器存取；通过设置Divisor锁存器的值设置波特率为9 600 b/s；将LCR赋回原值。
3.2 串口数据处理程序
    正弦波信号发生器专用芯片从外部串口接收到的数据分为3类：相位、频率选择信号，相位或频率值，3路正弦波选择信号。固化程序定义了1个32位的数据寄存器变量和1个8位状态寄存器变量。串口数据处理程序采用查询方式接收串口数据，接收到的前4个数据进行相应转换后赋给数据寄存器变量，第5个数据放入状态寄存器变量中，作为相位信号、频率选择信号和3路正弦波选择信号。若为相位信号，则将数据寄存器变量中的数据与0x3ff相“与”，然后根据式(2)得到相位控制字；若为频率信号，则根据式(1)得到频率控制字。最后根据这个信号将数据寄存器变量中的值送入相应的DDS模块硬件寄存器中(DDS_FTW和DDS_PHASE)。
    在FPGA上实现了一个多路正弦波信号发生器专用芯片的设计。本设计在友晶公司的DE2-70开发板上进行了验证，使用开发板上3路10位视频数字信号转模拟信号的控制芯片ADV7123作为D/A转换芯片，最后得到3路频率相位可调的正弦波信号。该正弦波信号发生器专用芯片通过串口控制，而未来的设计中可以扩展数字按键控制或者触摸屏控制，不使用外部主控MCU也可以产生特定频率相位的正弦波信号。