基于ZX-2型FPGA开发板的串口示波器（一）

小梅哥

基于ZX-2型FPGA开发板的串口示波器（一） [复制链接]

本实验，为ZX-2开发板的综合实验，该实验利用ZX-2开发板上的ADC、独立按键、UART等外设，搭建了一个具备丰富功能的数据采集卡，ZX-2开发板负责进行数据的采集并将数据通过串口发送到PC机上，PC端，利用强大的串口调试工具——串口猎人，来实现数据的接收分析，并将数据分别以波形、码表、柱状图的形式动态显示出来，以让使用者能够直观的看到ADC采集到的信号细节。同时，用户也可以使用串口猎人通过串口给下位机（FPGA）发送指令，下位机将对接收到的指令进行解码，然后依据解码结果来配置FPGA中各个子模块的控制寄存器，以实现通过串口控制FPGA中子模块工作状态的功能。



本实验中，涉及到的应用模块和知识点如下所示：
串口收发模块的设计和使用；
串口收发模块仿真模型的设计；
串口简单数据帧的解码；
串口帧转Memory Mapped总线的设计；
Memory Mapped Slave模块的设计；
线性序列机设计思想的应用（ADC驱动）；
独立按键消抖的分析与实现；
直接数字频率合成（DDS）的设计与实现；
使能时钟对系统间模块协调工作的重要性；
串口猎人的详细使用；
完整系统的仿真验证设计；
头文件在设计中的运用；
Quartus II软件中可定制化存储器ROM的使用；

本实验不仅注重可综合的代码编写，同时更注重代码的仿真验证。通过仿真，我们能够寻找设计中可能存在的问题并修正。最终，在整个系统仿真无误的基础上，下载到开发板上一次性成功。
下图为本设计的框架结构图：

系统采用模块化设计，在模块划分的过程中，重点考虑了系统的可扩展性，下表为对系统中各模块功能的简单介绍。

基于串口的虚拟示波器模块功能介绍
模块名	模块功能
Uart_Byte_Rx	串口字节接收模块，负责进行PC机发送指令数据的接收工作；
CMD	串口指令解析与控制模块，该模块通过解码PC机发送的指令数据序列，获取控制命令，转换为Memory Mapped Master总线，以实现上位机通过串口控制下位机（FPGA）中各模块寄存器的功能；
Sample_Ctrl	ADC采样速率控制模块，该模块通过控制使能ADC采数的速率来调整ADC的采样率；
UART_Byte_Tx	串口字节发送模块，该模块负责将需要发送的字节数据通过UART协议发送出去（发送到上位机）
UART_Tx_Ctrl	串口发送控制模块，根据数据有效标志信号来控制串口发送模块将数据出去
tlc549_Driver	TLC549模数转换（ADC）芯片驱动模块，负责驱动TLC549进行模数转换，并将转换结果以字节格式输出。
DDS	DDS信号发生器模块，该模块生成一个固定频率的正弦波，在没有外部信号发生器的情况下，可通过该模块生成正弦波，并将输出数据接入到采样部分，以模拟采集正弦波信号并在上位机显示
Mux1	AD采集结果和DDS数据结果多路选择模块，在测试时，用户可以选择需要采样的数据为内部信号发生器生成的正弦波数据（供演示用）或者ADC采集到的电压结果（实际测试）
Mux2	AD采集结果和DDS数据结果有效标志信号选择多路器，在ADC和DDS都处于工作的状态下，通过该多路器来实现数据有效标志信号的选择
normal_keys_detect	独立按键消抖模块，通过该模块来实现AD数据和DDS数据的切换，即在演示和实际测试中进行切换。

系统中各端口和信号的功能介绍如下：

基于串口的虚拟示波器端口和信号介绍
端口	位宽	端口功能描述
Clk	1	系统时钟，50M
Rst_n	1	全局复位，低电平复位
Rs232_Rx	1	串口接收引脚
Rs232_Tx	1	串口发送引脚
Key_in	3	按键输入
ADC_Din	1	ADC芯片数据引脚
ADC_Clk	1	ADC接口时钟
ADC_Cs_n	1	ADC芯片片选信号
内部信号	位宽	信号功能描述
Baud_Set	3	波特率选择信号，对应波特率如下： 000: 9600bps 001: 19200bps 010: 38400bps 011: 57600bps 100: 115200bps 101: 230400bps 110: 460800bps 111: 921600bps
Rx_Byte	8	串口接收到的字节数据
Rx_Int	1	串口接收字节成功标志信号，每次接收成功，此信号产生一个时钟周期的高脉冲
Byte_En	1	串口字节数据发送使能信号，每一次一个时钟周期的高脉冲使能一次串口字节发送。
Tx_Done	1	串口发送字节数据完成标志，每个字节的数据发送完成，此信号产生一个时钟周期的高脉冲
ADC_En	1	ADC单次转换使能信号，每一次一个时钟周期的高脉冲使能一次AD转换
ADC_Data	8	ADC采样结果
ADC_Flag	1	ADC转换结果有效标志，每次转换结果有效后，此信号产生一个时钟周期的高脉冲
ADC_Busy	1	ADC工作忙标志，高电平表明ADC正处于转换状态，新的转换命令将被忽略，只有当该信号为低电平时，外部控制逻辑才可触发新的转换
m_wr	1	主机写数据的请求，为1表明有写请求
m_addr	8	主机写数据的地址
m_wrdata	16	主机写数据
DDS_Data	8	DDS生成的波形数据
DDS_Flag	1	DDS采样使能标志，该信号由DDS采样速率控制进程产生
Data_Flag	1	数据有效标志（根据用户按键进行选择DDS_Flag 或ADC_Flag）
Data_Byte	8	串口发送字节数据
Data_Sel	1	数据选择信号（选择串口发送DDS_Data 或 ADC_Data），为1选择DDS_Data，为0选择ADC_Data
Flag_Sel	1	数据有效标志信号选择信号（选择DDS_Flag 或ADC_Flag）为1选择DDS_ Flag，为0选择ADC_ Flag
Key_Flag	1	按键检测成功标志信号，每次按键检测成功该信号产生一个时钟周期的高脉冲信号
Key_Value	3	按键检测结果

本实验为综合性实验，代码量较大，因此这里只针对部分代码进行讲解。如果文档中没有讲到的内容，大家可以参看代码注释。

小梅哥

2015年4月8日 于至芯科技

xujiangyu0619

太牛逼了！
工程分享一下呗

574433742

有点厉害。。。。

caojunqi

有点厉害。。。。