FPGA驅(qū)動(dòng)AD芯片之實(shí)現(xiàn)與芯片通信

概述：利用FPGA實(shí)現(xiàn)AD芯片的時(shí)序，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與AD芯片數(shù)據(jù)的交互，主要熟悉FPGA對(duì)時(shí)序圖的實(shí)現(xiàn)，掌握時(shí)序圖轉(zhuǎn)換Verilog硬件描述語(yǔ)言技巧后與其它芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互也是類似的。

說(shuō)明：FPGA芯片采用了altera的Cyclon IV E系列的“EP4CE10F17C8”，軟件環(huán)境-Quartus-Ⅱ，采用的AD芯片為—AD-TLC549。

通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)以下時(shí)序設(shè)計(jì)：

1.AD-TLC549簡(jiǎn)介

位數(shù)：8位。
最大轉(zhuǎn)換時(shí)間：17us(36個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期)。
轉(zhuǎn)換速率：每秒40000次。
TOP VIEW：

電路連接圖：

2.AD-TLC549時(shí)序圖解析

From datasheet：

2.1時(shí)序圖說(shuō)明：

(1)當(dāng)CS為高時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)串行輸出端DATA OUT處于高阻態(tài)，此時(shí)I/O CLOCK也不起作用。
(2)當(dāng)CS為低時(shí)，AD前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)A的最高位A7立即出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線DATA OUT上，其余的7位數(shù)據(jù)在I/O CLOCK的下降沿依次由時(shí)鐘同步輸出(方便我們?cè)谏仙夭杉瘮?shù)據(jù)，細(xì)品)。

注意：

①當(dāng)CS變?yōu)榈碗娖降絀/O CLOCK的第一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)至少需要1.4us。

②I/O CLOCK不能超過(guò)1.1M，Verilog代碼中采用了1M的時(shí)鐘。

(3)讀完8位數(shù)據(jù)后，AD開(kāi)始轉(zhuǎn)換下一幀 數(shù)據(jù)B，以便下次讀取，轉(zhuǎn)換時(shí)片選信號(hào)CS必須置高電平，每次轉(zhuǎn)換的時(shí)間不超過(guò)17us，轉(zhuǎn)換開(kāi)始于CS變低后的I/O CLOCK的第8個(gè)下降沿，沒(méi)有轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志信號(hào)；也沒(méi)有啟動(dòng)控制端，只要讀取前一次數(shù)據(jù)后馬上就可以開(kāi)始新的AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進(jìn)入保持狀態(tài)。

3.時(shí)序圖轉(zhuǎn)化為Verilog代碼

在時(shí)序圖轉(zhuǎn)化為Verilog代碼過(guò)程中，要注意的是時(shí)間t su {{ ext{t}}_{{ ext{su}}}}tsu=1.4us、t conv {{ ext{t}}_{{ ext{conv}}}}tconv=17us、I/O CLOCK=1MHz，AD轉(zhuǎn)換的時(shí)候I/O CLOCK是沒(méi)有的。

(1)代碼TOP VIEW：

(2)代碼按以下?tīng)顟B(tài)機(jī)編寫(xiě)：

狀態(tài)1：CS拉低至CLK第一個(gè)上升沿。
狀態(tài)2：在I/O CLOCK8個(gè)上升沿讀取數(shù)據(jù)。
狀態(tài)3：等待AD轉(zhuǎn)換完成。
狀態(tài)4：AD轉(zhuǎn)換完完成。

(3)依據(jù)時(shí)序圖完成以下代碼：

//系統(tǒng)時(shí)鐘為50M,周期為20ns; AD時(shí)鐘為1M，周期為1us

`define Tsu_time 10'd70//70*20=1.4us，Tsu延時(shí)的計(jì)數(shù)終值
`define Cov_time 10'd850//850*20=17us， Cov延時(shí)的計(jì)數(shù)終值
`define CLK_time 10'd50//20*50=1us，  實(shí)現(xiàn)1M AD時(shí)鐘得計(jì)數(shù)終值
`define CLKHALF_time 10'd25//20*25=0.5us，實(shí)現(xiàn)1M AD時(shí)鐘得計(jì)數(shù)中值

module AD_TLC549
(
//輸入
inputCLK_50M,//系統(tǒng)時(shí)鐘
input RST_N,//復(fù)位
input AD_DATA,//8bit AD原始數(shù)據(jù)
//輸出
output reg AD_CS,//片選
output reg AD_CLK//AD時(shí)鐘1M
);

//狀態(tài)機(jī)，四個(gè)狀態(tài)；狀態(tài)1：CS拉低至CLK第一個(gè)上升沿，狀態(tài)2：讀取數(shù)據(jù)，狀態(tài)3等待轉(zhuǎn)換，狀態(tài)4：轉(zhuǎn)換完成
reg [2:0]SM_NOW/*synthesis preserve*/; //現(xiàn)在的狀態(tài)
reg [2:0]SM_NEXT/*synthesis preserve*/;//下一狀態(tài)
parameter SM_Tsu= 3'd0, //CS拉低至CLK第一個(gè)上升沿1.4us
SM_Data = 3'd1, //讀取AD數(shù)據(jù)8個(gè)AD_CLK
SM_Cov= 3'd2, //等待轉(zhuǎn)換17us
SM_End= 3'd3; //轉(zhuǎn)換完成

//產(chǎn)生計(jì)數(shù)
reg[9:0] Time_cnt;//在狀態(tài)機(jī)的每個(gè)狀態(tài)開(kāi)始都會(huì)被清零，可以運(yùn)用至每個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)
reg[3:0] CLK_posedge;//AD_CLK 的8個(gè)時(shí)鐘上升沿

//讀取的8bit數(shù)據(jù)
reg[7:0]DATA;//數(shù)據(jù)現(xiàn)態(tài)
reg[7:0]    DATA_N/*synthesis preserve*/;//數(shù)據(jù)的下一個(gè)狀態(tài)


//時(shí)鐘
reg AD_CLK_N;//AD_CLK的下一個(gè)狀態(tài)


//時(shí)序產(chǎn)生，Tsu計(jì)時(shí)、Cov計(jì)時(shí)、AD_CLK計(jì)時(shí)
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
Time_cnt <= 10'd0;
else if(SM_NOW != SM_NEXT)
Time_cnt <= 10'd0;
else if(SM_NOW == SM_Tsu)//產(chǎn)生tus延時(shí)
begin
if(Time_cnt == `Tsu_time)
Time_cnt <= 10'd0;
else
Time_cnt <= Time_cnt + 10'd1;
end
else if(SM_NOW == SM_Cov)//產(chǎn)生Cov延時(shí)
begin
if(Time_cnt == `Cov_time)
Time_cnt <= 10'd0;
else
Time_cnt <= Time_cnt + 10'd1;
end
else if(SM_NOW == SM_Data)//產(chǎn)生CLK
begin
if(Time_cnt == `CLK_time)
Time_cnt <= 10'd0;
else
Time_cnt <= Time_cnt + 10'd1;
end
else
Time_cnt <= Time_cnt;
end

//產(chǎn)生AD_CLK
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
AD_CLK <= 0;
else
AD_CLK <= AD_CLK_N;
end
always@(*)
begin
if(SM_NOW != SM_Data)
AD_CLK_N = 0;
else if(Time_cnt == `CLKHALF_time)//半周期
begin
AD_CLK_N = 1;//CLK_H
end
else if(Time_cnt == `CLK_time)//滿周期
AD_CLK_N = 0;//CLK_L
else
AD_CLK_N = AD_CLK;
end

//記錄AD_CLK的8個(gè)上升沿
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
CLK_posedge <= 4'd0;
else if(SM_NOW != SM_Data)
CLK_posedge <= 4'd0;
else if(Time_cnt == `CLKHALF_time)
CLK_posedge <= CLK_posedge + 4'd1;
else
CLK_posedge <= CLK_posedge;
end

//CS信號(hào)產(chǎn)生
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
AD_CS <= 1'b1;
else
begin
if(SM_NOW == SM_Tsu)
AD_CS <= 1'b0;
else if(SM_NOW == SM_Cov)
AD_CS <= 1'b1;
else
AD_CS <= AD_CS;
end
end


//狀態(tài)機(jī)，產(chǎn)生AD時(shí)序
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
SM_NOW <= 3'd0;
else
SM_NOW <= SM_NEXT;
end
always@(*)
begin
case(SM_NOW)
SM_Tsu://狀態(tài)1：CS拉低至CLK第一個(gè)上升沿。
if(Time_cnt == `Tsu_time)
SM_NEXT = SM_Data;
else
SM_NEXT = SM_Tsu;
SM_Data://狀態(tài)2：在I/O CLOCK8個(gè)上升沿讀取數(shù)據(jù)。
if(CLK_posedge == 4'd8 && Time_cnt == `CLK_time)
SM_NEXT = SM_Cov;
else
SM_NEXT = SM_Data;
SM_Cov: //狀態(tài)3：等待AD轉(zhuǎn)換完成。
if(Time_cnt == `Cov_time)
SM_NEXT = SM_End;
else
SM_NEXT = SM_Cov;
SM_End://狀態(tài)4：AD轉(zhuǎn)換完完成。
 SM_NEXT <= SM_Tsu;
default:SM_NEXT <= SM_Tsu;
endcase
end



//提取數(shù)據(jù)
always@(posedge CLK_50M or negedge RST_N)
begin
if(!RST_N)
DATA <= 8'b0;
else
DATA <= DATA_N;
end

always@(*)
begin
if((SM_NOW == SM_Data)&&(!AD_CLK)&&(AD_CLK_N))//上升沿
DATA_N = {DATA[6:0],AD_DATA};
else
DATA_N = DATA;
end

endmodule

4. 仿真結(jié)果

通過(guò)SignalTapⅡ仿真得到以下波形：

波形解析：

(1)t su {{ ext{t}}_{{ ext{su}}}}tsu：
用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了1.9us延時(shí)，大于了1.4us。

(2)t conv {{ ext{t}}_{{ ext{conv}}}}tconv：
用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)17us延時(shí)

(3)8bit數(shù)據(jù)及其時(shí)鐘：

原文鏈接：

https://openatomworkshop.csdn.net/6746bf193a01316874d9466f.html