1 概述
隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展,復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn),在電子產(chǎn)品設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD 可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程,重復(fù)多次,而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測試激勵端和邊界掃描能力,使用CPLD 器件進(jìn)行開發(fā),不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性,而且大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。由于CPLD 采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu),易于預(yù)測延時,從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD 是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品,可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。近年來,隨著采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn),CPLD 器件成本不斷下降,集成密度、速度和性能都大幅度提高,這樣一個芯片就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng);再加上使用方便的開發(fā)工具,給設(shè)計修改帶來很大方便。
實驗室設(shè)計開發(fā)了一款無線數(shù)據(jù)接收平臺,上下行速率可以達(dá)到1Mbps。射頻部分采用了Maxim 的射頻套片,基帶部分采用了OMAP 平臺,基帶射頻接口采用了ADI 公司的混合信號前端(MxFE™)基帶傳輸芯片AD9861,系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)的緩沖采用了ALTERA 的CPLD EPM240GT100C3。
2 EPM240GT100C3 實現(xiàn)的功能與總體要求
EPM240GT100C3要完成AD9861的時序控制、AD9861和OMAP之間的數(shù)據(jù)緩存以及提供網(wǎng)口芯片LAN91C93所需的控制信號。在這幾項功能中,最主要的是數(shù)據(jù)緩存功能。要想正確地實現(xiàn)緩存功能,就必須要求緩存的收發(fā)I、Q數(shù)據(jù)不丟失,不顛倒,不錯相,同時保證數(shù)據(jù)的先寫后讀。按照這樣的思想,再結(jié)合兩邊的接口時序正確地配置讀寫地址、讀寫時鐘,就可以完成所需功能。
3 CPLD 程序的詳細(xì)設(shè)計
CPLD的主要功能是完成數(shù)據(jù)緩存和一些時鐘控制信號的產(chǎn)生。其功能框圖如圖1所示,主要包括雙口RAM存儲體單元,時鐘和控制信號產(chǎn)生單元,OMAP側(cè)地址發(fā)生單元,AD9861側(cè)地址發(fā)生單元。
圖1 CPLD 功能框圖
3.1 雙口RAM 的設(shè)計方法
因為OMAP和AD9861兩邊都有讀寫操作,于是選擇了雙口RAM(DPRAM)作為數(shù)據(jù)的緩存。由于CPLD內(nèi)部的邏輯資源和布線資源有限,并且沒有獨(dú)立的DPRAM區(qū),只能用DFF來完成緩存功能,這就限制了DPRAM的大小。因為系統(tǒng)要求每個DMA中斷讀寫8個數(shù)據(jù),為了減小讀寫沖突的可能性,同時盡量地降低FF資源的利用,最終采用了相當(dāng)于兩個8×8大小乒乓緩沖的16×8雙口RAM緩沖區(qū)。DPRAM的外部接口如圖2所示:
圖2 DPRAM 的外部接口
其中dina和douta接OMAP的數(shù)據(jù)線,dinb和doutb接AD9861的數(shù)據(jù)線,addra和addrb為內(nèi)部產(chǎn)生的讀寫地址。Wr_rd_en控制讀寫的方向,和TX_RX相連,即當(dāng)Wr_rd_en=’1’時,為發(fā)射,數(shù)據(jù)由OMAP寫入,AD讀出,數(shù)據(jù)流向從dina->doub; 當(dāng)Wr_rd_en=’0’時,為接收,數(shù)據(jù)由AD端寫入,AD讀出,數(shù)據(jù)流向從dinb->doua;wrclk在四種時鐘之間切換,分別為3.2768M,6.4M,75M,84M,由TX_RX和V_D_SEL信號的高低來控制。為了降低布線資源的使用,讀數(shù)時沒有用讀時鐘,而是直接把a(bǔ)ddra和addrb地址上的數(shù)據(jù)輸出,因為addra和addrb本來就是與讀寫時鐘同步的。
3.2 時鐘產(chǎn)生
CPLD輸入時鐘有來自射頻的16M時鐘,來自外部晶振的32.768M時鐘和來自O(shè)MAP接口的75M時鐘CLK。其中16M時鐘用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)應(yīng)用時AD9861所需要的3.2M、6.4M轉(zhuǎn)換時鐘,32.768M時鐘用于產(chǎn)生語音應(yīng)用時AD9861所需要的1.6384M、3.2768M時鐘以及CODEC AIC1110所需要的8K和2.048M時鐘。SDCLK本可以作為OMAP讀寫的主時鐘,但必須要使用CAS信號作為讀寫允許配合使用才行,為了節(jié)省布線資源,不用讀寫允許,就直接用CAS作為寫時鐘及OMAP側(cè)的地址產(chǎn)生使用,而SDCLK則用于產(chǎn)生一些同步脈沖。這些產(chǎn)生的時鐘除了輸出給外部芯片外,還在CPLD內(nèi)部作為地址產(chǎn)生的時鐘使用。3.2M和6.4M的時鐘產(chǎn)生是把16M的時鐘從0到4計數(shù),由reset和ad_da_enable給計數(shù)器清零,這樣的模5計數(shù)器的最低位即為6.4M,次低位為3.2M時鐘。這種時鐘產(chǎn)生的方式只需要三個DFF,節(jié)省邏輯資源,而且不會產(chǎn)生毛刺,但產(chǎn)生的時鐘占空比不是50%,實踐證明在低速應(yīng)用時,AD9861是可以正常工作的。系統(tǒng)的時鐘時序如圖3所示。
圖3 時鐘時序
1.6384M和3.2768M時鐘的方法同理,只是需要把32.768M的時鐘20分頻而已,同樣計數(shù)器的清零由reset和ad_da_enable控制,這樣得到的模20計數(shù)器的第2位即為3.2768M,第三位為1.6384時鐘,時序跟上圖相似,這里就不再給出。
這四個時鐘被分時賦給AD9861的主時鐘ADA_CLK,具體是哪個時鐘被賦ADA_CLK,由收發(fā)切換信號TX_RX,語音和數(shù)據(jù)選擇信號V_D_SEL控制。當(dāng)TX_RX=’0’ 且V_D_SEL=’0’時,輸出給ADA_CLK的時鐘為1.6384M;當(dāng)TX_RX=’1’且V_D_SEL=’0’時,輸出給ADA_CLK的時鐘為3.2768M;當(dāng)TX_RX=’0’ 且D_SEL=’1’時,輸出給ADA_CLK的時鐘為3.2M;當(dāng)TX_RX=’1’ 且V_D_SEL=’1’時,輸出給ADA_CLK的時鐘為6.4M。
為了進(jìn)一步節(jié)省資源,可以考慮把模5和模20的計數(shù)器共用,方案如圖4所示,BIT1和BIT2即為所需的時鐘,這時前端時鐘源由V_D_SEL選擇,BIT1和BIT2的選擇輸出由TX_RX控制。
圖4 模5 模20 計數(shù)器共用的時鐘產(chǎn)生方案
2.048M的時鐘產(chǎn)生由32.768M時鐘16分頻得到,計數(shù)器的復(fù)位由reset和語音允許audcken控制,這樣得到的模16的計數(shù)器的高位即為2.048M時鐘。8K時鐘是對產(chǎn)生的2.048M時鐘256分頻得到。
3.3 地址產(chǎn)生
在使用雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存時,有兩部分地址產(chǎn)生電路:OMAP側(cè)地址產(chǎn)生電路和AD9861側(cè)地址產(chǎn)生電路。AD9861側(cè)地址產(chǎn)生電路和OMAP側(cè)地址產(chǎn)生電路大致相同,但由于這2個地址發(fā)生器同時使用,所以不能復(fù)用。OMAP的地址發(fā)生器框圖如下:
圖5 OMAP 的地址發(fā)生器
CAS 時鐘只負(fù)責(zé)對低3 位地址進(jìn)行計數(shù),而最高位由于選擇2 個8×8RAM 中的一個,為防止adda 和OMAP 同時讀寫同一個RAM,將OMAP 側(cè)的高位地址線取值為AD9861 側(cè)的地址最高位的反相。DMA 請求清零信號作用:在AD9861 側(cè)每觸發(fā)一次DMA 請求,就生成一個DMA 請求清零信號,用于復(fù)位OMAP 側(cè)地址發(fā)生器,避免由于某此誤觸發(fā)引起OMAP 讀寫地址混亂。AD9861 側(cè)地址發(fā)生器如下:
圖6 AD9861 側(cè)地址發(fā)生器
4位地址總線的低3位用于選擇同一片RAM中的8個地址,最高位用于選擇2個8×8RAM中的一個,收發(fā)切換信號用于在收發(fā)切換時給地址發(fā)生器清零,復(fù)位由于邏輯誤觸發(fā)導(dǎo)致的地址總線錯誤。
3.4 LAN 控制信號產(chǎn)生
lan91c93是一款嵌入式以太網(wǎng)控制器,和OMAP一起構(gòu)成了嵌入式的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡。OMAP用異步的FLASH接口時序來訪問lan91c93,由于lan91c93沒有片選輸入端,所以把flash的片選和讀寫信號通過作一定處理后輸出給lan91c93。OMAP把CS1空間分配給了lan91c93,當(dāng)nFLASH_CS1為低時,把nFLASH_WE,nFLASH_OE輸出給nLAN_WE,nLAN_OE,否則nLAN_WE,nLAN_OE為高電平。同時把LAN_RDY信號通過CPLD透傳給OMAP,通知OMAP lan91c93準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)的交換。
4 仿真和實測
4.1 數(shù)據(jù)接收狀態(tài)仿真
置V_D_SEL 為高,TX_RX 也為低,表示現(xiàn)在處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。依據(jù)時序關(guān)系產(chǎn)生所需的時鐘,復(fù)位信號;產(chǎn)生AD9861 數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù),模擬AD 的輸出; 產(chǎn)生ADA 使能輸入控制信號AD_DA_ENABLE;SDRAM CAS 信號等等。如下圖所示,DINB為AD9861數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù),WRCLK為內(nèi)部產(chǎn)生的6.4M鎖存時鐘,用來把DA數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中,AD9861側(cè)的地址ADDRB是對寫時鐘WRCLK的下降沿計數(shù)得到的。當(dāng)ADDRB為8或0時,產(chǎn)生一DMA中斷,觸發(fā)OMAP通過EMIFF接口把數(shù)據(jù)讀到DSP的MEMORY進(jìn)行處理,每個DMA請求讀8個數(shù)據(jù),產(chǎn)生8個低脈沖的CAS信號,對CAS的脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù),得到OMAP側(cè)地址的低3位,最高位由ADDRB的MSB取反得到,這樣能避免讀寫沖突??梢钥闯鯝D的輸出數(shù)據(jù)能夠被正確地復(fù)現(xiàn)在OMAP的EMIFF接口數(shù)據(jù)線上,并被OMAP正確地讀進(jìn)去。
圖7 數(shù)據(jù)接收狀態(tài)信號時序
4.2 數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)仿真
置V_D_SEL 為高,TX_RX 為高,表示現(xiàn)在處于數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)。依據(jù)時序關(guān)系產(chǎn)生所需的時鐘,復(fù)位信號;產(chǎn)生EMIFF 接口數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù),模擬OMAP 輸出的發(fā)射數(shù)據(jù); 模擬產(chǎn)生ADA 使能輸入控制信號AD_DA_ENABLE;SDRAM CAS 信號等等。如下圖所示,ADA_CLK為內(nèi)部產(chǎn)生的6.4M時鐘,輸出作為ad9861的DA轉(zhuǎn)換的主時鐘。對ADA_CLK的上升沿計數(shù)得到AD9861側(cè)的地址ADDRB,當(dāng)ADDRB為8或0時,產(chǎn)生一DMA中斷,觸發(fā)OMAP通過EMIFF接口把發(fā)射數(shù)據(jù)輸出到EMIFF接口數(shù)據(jù)總線上,每個DMA請求寫8個數(shù)據(jù),產(chǎn)生8個低脈沖的CAS信號,對CAS的脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù),得到OMAP側(cè)地址的低3位,最高位由ADDRB的MSB取反得到,這樣能避免讀寫沖突。DINA為EMIFF接口數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù),用CAS延遲信號的下降沿來鎖存DINA,滿足EMIFF的SDRAM寫時序,可以正確地把數(shù)據(jù)寫入到雙口RAM中。DOUTB為輸出給DA的數(shù)據(jù),同時按照時序要求產(chǎn)生一發(fā)射同步信號TX_SYNC,用來指示發(fā)射的I和Q,用ADA_CLK的上升沿采樣,正好能采樣到DOUTB和TX_SYNC的中間,確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
圖8 數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)信號時序
4.3 數(shù)據(jù)實測結(jié)果
記錄的頻譜圖,時域波形圖和星座圖如下,頻譜為250K,跟信號源設(shè)置的頻偏一致。時域波形I 落后Q 90 度,且I 的最大值對應(yīng)于Q 的零點(diǎn),兩者的正交性得到了保證,星座圖是一個圓同樣證明了這一點(diǎn)。
圖9 接收信號頻譜圖
圖10 接收信號時域波形圖
圖11 接收信號星座圖