JESD204B使用說(shuō)明

JESD204B IP核作為接收端時(shí)，單獨(dú)使用，作為發(fā)送端時(shí)，可以單獨(dú)使用，也可以配合JESD204b phy使用。

JESD204B通常配合AD或DA使用，替代LVDS,提供更高的通訊速率，抗干擾能力更強(qiáng)，布線數(shù)量更少。

本篇的內(nèi)容基于jesd204b接口的ADC和FPGA的硬件板卡，通過(guò)調(diào)用jesd204b ip核來(lái)一步步在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高速ADC數(shù)據(jù)采集，jesd204b協(xié)議和xilinx 的jesd204 IP核相關(guān)基本知識(shí)已在前面多篇文章中詳細(xì)介紹，這里不再敘述~

在該篇中，小青菜哥哥試圖從一個(gè)初學(xué)者的視角來(lái)記錄整個(gè)開(kāi)發(fā)流程，力求做到每一個(gè)讀者閱讀完該筆記后都能快速開(kāi)發(fā)基于jesd204b接口的FPGA-ADC數(shù)據(jù)采集，同時(shí)也確保幾個(gè)月甚至幾年后的本人已經(jīng)遺忘了jesd204b開(kāi)發(fā)細(xì)節(jié)后，通過(guò)閱讀該筆記能夠快速重新上手。

硬件工作環(huán)境
ADC：ADS52J90。FPGA：kintex7。供電：12V/4A 直流電源。該板卡最多外接32通道2Vpp模擬信號(hào)以及20路外部觸發(fā)信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸接口方式有千兆以太網(wǎng)接口、高速光纖接口以及低速USB串口。需要用到的工具為萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器。

圖2：ADC主要特性

該款芯片內(nèi)置了16個(gè)ADC（模數(shù)變換器），這16個(gè)ADC輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)jesd接口輸出。

這16個(gè)adc的數(shù)據(jù)通過(guò)2、4、或者8條lane輸出，具體選哪種用戶是可以選擇的。

每條lane的最高線速率是5Gbps。

支持子類0、1和2。

該芯片的采樣率、采樣精度，采樣通道數(shù)都有多種模式，用戶可選擇范圍比較大，但必須最終滿足每條lane的數(shù)據(jù)線速率不能高于5Gbps。

我們?cè)賮?lái)看看ADC數(shù)據(jù)的傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該ADC手冊(cè)描述輸出數(shù)據(jù)有“NORMAL PACKING MODE”和“ SINGLE CONVERTER PER OCTET MODE”兩種模式，為了提高位傳輸效率，本人選擇了“NORMAL PACKING MODE”，如圖3所示：

圖3：不同的jesd接口操作模式

在實(shí)際操作演示時(shí)，小青菜哥哥通過(guò)ADC配置接口，選擇了固定的ADC基本采樣參數(shù)：即ADC的采樣率為80MSPS、采樣精度為12bit、采樣通道為16，所有數(shù)據(jù)最終通過(guò)4條lane輸出到FPGA（4個(gè)lane正好對(duì)應(yīng)FPGA的一個(gè)GTX quad，比較整齊。。。。技術(shù)男強(qiáng)迫癥犯了）。因此，在“NORMAL PACKING MODE”模式下，N=12，N’=12，F(xiàn)=6。

具體的傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4：“NORMALPACKING MODE”模式下的傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從圖4也可以看出，F(xiàn)=6，采樣數(shù)據(jù)沒(méi)有contro bit 和tail bit填充，這樣就保證了輸出數(shù)據(jù)100%有效傳輸效率。

那么ADC的幀時(shí)鐘是多少呢？手冊(cè)上也已經(jīng)給出了，如圖5所示：幀時(shí)鐘頻率和ADC轉(zhuǎn)換頻率一樣的，這里都為80MHz。

圖5：jesd相關(guān)的時(shí)鐘頻率

基于以上信息，小青菜哥哥選擇的工作模式的lane線速率就可以確定了：
幀時(shí)鐘×幀字節(jié)數(shù)×每字節(jié)的bit數(shù)×8b/10b編碼開(kāi)銷即為lane的工作線速率
80MHz×6×8×10/8=4.8Gbps
另外，還有一種更容易理解的線速率確定方式：
我們知道每條lane傳輸4個(gè)ADC的數(shù)據(jù)，而ADC采樣率為80MHz，采樣精度12bit，沒(méi)有控制和tail bit，只要8b/10b編碼，因此每條lane的線速率為：
80MHz采樣率×12bit采樣精度×4個(gè)ADC×10/8=4.8Gbps

另外，還有最后一個(gè)多幀參數(shù)K 需要確認(rèn)。ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了K的范圍，即：Ceil (17 / Number of Octetsper Frame) ≤ Multiframe Size (In Terms of Number of Frames)，即Ceil (17 / 6) ≤ K。因此K必須要大于等于3，小青菜哥哥決定K取4。

到現(xiàn)在為止jesd204的參數(shù)就確認(rèn)完畢了，在這里就不一一介紹該芯片的其它功能了，該芯片的詳細(xì)中文版介紹可以看小青菜哥哥以前的文章。

接下來(lái)我們來(lái)打開(kāi)vivado，一步一步來(lái)完成FPGA-ADC數(shù)據(jù)采集的工程。在工程建立的過(guò)程中，小青菜哥哥還會(huì)反復(fù)提到上述的ADC芯片，因?yàn)樵诮esd204鏈路時(shí)，F(xiàn)PGA端的參數(shù)必須和ADC的參數(shù)保持一致~

如圖6所示為新建的vivado工程“jesd204b_ads52j90”，匹配硬件的FPGA型號(hào)“xc7k325tffg900-2”，可以看到工程內(nèi)部還沒(méi)有任何文件：

圖6：新建工程

接下里我們來(lái)例化jesd204 IP核，如圖7所示：

圖7：例化IP核

雙擊該IP核后打開(kāi)了jesd204的配置界面，配置界面分成4個(gè)子界面：“Configuration”、“Shared Logic”、“Default Link Parameters”以及“JESD204 PHYConfiguration”。我們下面將分別描述：

“Configuration”配置界面
如圖8所示為“Configuration”配置界面，該界面有7個(gè)地方是需要用戶來(lái)選擇的

圖8：“Configuration”配置界面

1：輸入IP核名字
2：由于是ADC數(shù)據(jù)采集，因此FPGA的IP核應(yīng)該設(shè)置成“Receive”
3：設(shè)置IP核內(nèi)部的接收數(shù)據(jù)緩存器的字節(jié)長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)緩存器主要用來(lái)做lane之間的數(shù)據(jù)對(duì)齊和實(shí)現(xiàn)確定性延遲功能。字節(jié)長(zhǎng)度是用戶可選的，選得值越小越節(jié)約FPGA邏輯資源，但字節(jié)長(zhǎng)度必須要超過(guò)F*K（本篇為6*4=24），因此選擇了64，如果大家不清楚的話，直接選最大長(zhǎng)度，絕對(duì)沒(méi)問(wèn)題。
4：lane數(shù)量：本篇為4條lane。
5：jesd204 IP核的AXI4-Lite配置時(shí)鐘：默認(rèn)為100MHz。對(duì)于ultrascale器件，頻率范圍為10MHz~200MHz，對(duì)于7系列器件，如果IP核的模式為“Include Shared Logic inexample design”，則頻率范圍為10MHz~200MHz；如果IP核的模式為“Include Shared Logic incore”，則頻率范圍和Transceiver DRP時(shí)鐘頻率范圍相同，本人選擇了80MHz（80MHz為FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘，可以省去FPGA另外再提供100MHz時(shí)鐘）；
6：該選項(xiàng)可以選擇sysref信號(hào)被core clk的上升沿或下降沿采樣，用于jesd204b子類1的確定性延遲功能。一般來(lái)說(shuō)，外界提供的core clock和sysref是同源且上升沿對(duì)齊信號(hào)，因此在FPGA端最好選擇在時(shí)鐘下降沿采樣sysref比較精確，具體描述可參考pg066的page-60。
7：用戶決定IP核的core clk是否由glbclk(p/n)管腳輸入。當(dāng)refclk(p/n)頻率不等于core clk時(shí)，必須外部輸入core clk。本篇中的線速率為4.8Gbps，因此core clk為120MHz，所以本人將參考時(shí)鐘輸入頻率也調(diào)成120MHz，這樣IP核只需要一個(gè)120MHzd的參考時(shí)鐘輸入接口了。

“Shared Logic” 配置界面
如圖9所示為“Shared Logic” 的配置界面：該界面只有兩種選擇，要么選擇“Include Shared Logic in example design”，要么選擇“IncludeShared Logic in core”。對(duì)于大部分用戶來(lái)說(shuō)，選擇“Include Shared Logic in core”就可以了，后期使用起來(lái)很簡(jiǎn)單。對(duì)于需要使用“transceiversharing”這種高級(jí)功能的特殊用戶來(lái)說(shuō)，就需要選擇“Include Shared Logic in example design”，以便自己可以修改IP核內(nèi)部的部分代碼。我們選擇“IncludeShared Logic in core”就可以了。

圖9：“SharedLogic” 的配置界面

“Default Link Parameters” 配置界面
如圖10所示為“Default Link Parameters” 的配置界面：該界面5個(gè)部分需要用戶設(shè)置：

圖10：“DefaultLink Parameters” 的配置界面

1：Default SYSREFAlways：該選項(xiàng)用來(lái)配置LMFC計(jì)數(shù)器是否在每個(gè)SYSREF脈沖到來(lái)時(shí)都復(fù)位，或者只在SYSREF的第一個(gè)有效脈沖到來(lái)時(shí)復(fù)位，忽略以后的SYSREF信號(hào)。這里選擇OFF即可。
2：Default SCR：在ADC端我們禁止了擾碼功能，因此這里也將擾碼功能關(guān)閉。擾碼功能有利有弊，小青菜哥哥反正一直都不用該功能的~
3：Default F：從前面的ADC部分描述來(lái)看，這里F設(shè)置成6
4：Default K：從前面的ADC部分描述來(lái)看，這里K設(shè)置成4
5：Default SYSREFRequired on Re-Sync：該選項(xiàng)用來(lái)選擇每次鏈路重新同步時(shí)是否需要sysref信號(hào)，我們最好關(guān)閉它，默認(rèn)鏈路同步時(shí)不需要該信號(hào)，只在SYNC拉高后的下一個(gè)LMFC上升沿同步就可以了，這樣就方便許多。

“JESD204 PHY Configuration” 配置界面
如圖11所示為“JESD204 PHY Configuration” 的配置界面：該界面6個(gè)部分，只有其中4個(gè)部分需要用戶設(shè)置：

圖11：“JESD204 PHYConfiguration” 配置界面

1：Transceiver Type：這是由所選FPGA型號(hào)決定的，這里不能選擇
2：Line Rate：前面已經(jīng)計(jì)算過(guò)，當(dāng)前需求的數(shù)據(jù)線速率為4.8Gbps
3：Reference Clock：由于線速率已確定4.8Gbps，而core clk為其1/40，即120MHz。所以為了不使用glbclk(p/n)，減少一路時(shí)鐘輸入，這里將ReferenceClock 也設(shè)置成120MHz ，這樣外部輸入的glbclk(p/n)就可以由Reference Clock代替。
4：這里也沒(méi)得選：只能是CPLL
5：DRP Clock Frequency：配置頁(yè)面已經(jīng)提到過(guò)，對(duì)于七系列器件，DRP clk和AXI4-Lite clock為同一時(shí)鐘，所以這里也不可選了，只能為前面定下的80MHz。
6：不需要Transceiver的調(diào)試功能

至此，jesd204的IP核就配置完成了。例化該IP核后，其生成的ip核端口信息如下圖12所示（帶信號(hào)注釋）：

圖12：IP核例化代碼

我們?cè)倏纯葱∏嗖烁绺缃⒌墓こ添攲咏涌谖募?，如圖13所示：（帶注釋），接口其實(shí)真的很簡(jiǎn)單~

圖13：頂層文件接口

小青菜哥哥的FPGA頂層文件主要包括以下8模塊，如圖14所示：

圖14：頂層設(shè)計(jì)

1：PLL模塊
該模塊利用外部40MHz晶振和FPGA內(nèi)部的PLL，產(chǎn)生2路時(shí)鐘：其中一路10MHz，作為時(shí)鐘芯片配置模塊和ADC配置模塊的運(yùn)行時(shí)鐘；另一路100MHz，本打算供給AXI4-lite配置模塊時(shí)鐘，后來(lái)發(fā)現(xiàn)不需要，這里就留著備用了。
2：時(shí)鐘芯片配置模塊
沒(méi)啥可說(shuō)的，就是看lmk04826的數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過(guò)SPI接口協(xié)議配置時(shí)鐘芯片內(nèi)的寄存器，產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)所需的時(shí)鐘和sysref信號(hào)。以前的文章詳細(xì)講述過(guò)~
3：ADC配置模塊
通過(guò)SPI接口協(xié)議配置ADC芯片，使其工作在我們需要的jesd204參數(shù)狀態(tài)，本篇中小青菜哥哥將ADC配置成了累加數(shù)，便于輸出測(cè)試。以前的文章詳細(xì)講述過(guò)~
4：jesd204 IP核模塊
調(diào)用前面的IP核即可
5：全局時(shí)鐘模塊
IP核會(huì)輸出一路120MHz的core clk，供給用戶使用。我們將該信號(hào)引入全局時(shí)鐘模塊，產(chǎn)生120MHz和80MHz全局時(shí)鐘，作為ADC數(shù)據(jù)解析模塊的時(shí)鐘。另外80MHz時(shí)鐘還可以作為AXI4-lite的配置時(shí)鐘。
6：AXI4配置模塊
配置jesd204 IP核的工作參數(shù)。這里需要注意的是配置的參數(shù)和ADC配置模塊的參數(shù)要相同，比如F，K，N等參數(shù)。
7：ADC數(shù)據(jù)解析模塊
由于IP核輸出的數(shù)據(jù)是128bit位寬，在120MHz的時(shí)鐘域下工作。而ADC采樣時(shí)鐘是80MHz，所以ADC數(shù)據(jù)解析模塊的功能就是將總共4 lane的這些數(shù)據(jù)分離，變成16個(gè)ADC的12bit精度的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)。每款A(yù)DC芯片的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)(其實(shí)就是JESD204B的傳輸層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))不一樣，所以該模塊不具有普適性，只針對(duì)本篇的需求~
8：邏輯分析儀
我們通過(guò)ILA邏輯分析儀來(lái)觀察每一路的ADC采樣數(shù)據(jù)，看是否正確。

如下圖15所示為小青菜哥哥的jesd204 IP核信號(hào)的連接方式，供大家參考：

圖15：IP核頂層代碼

我們?cè)倏纯磾?shù)據(jù)解析模塊的接口含有哪些信號(hào)，如圖16：

圖：16：數(shù)據(jù)解析模塊頂層

我們?cè)倏纯催壿嫹治鰞x監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)情況，如圖17為IP核輸出的數(shù)據(jù)時(shí)序，這里我們看不出來(lái)ADC數(shù)據(jù)到底對(duì)不對(duì)，得到的都是ADC采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸層分割后的數(shù)據(jù)。

圖17：jesd IP核數(shù)據(jù)輸出

進(jìn)一步的我們看看最終還原的ADC數(shù)據(jù)到底對(duì)不對(duì)：由于小青菜哥哥將ADC配置成了發(fā)送累加數(shù)，所以說(shuō)如果jesd204鏈路正常工作了，那么觀察到的16路ADC采樣數(shù)據(jù)肯定也是累加數(shù)，如圖18所示：可以看到數(shù)據(jù)從0累加到4095，然后循環(huán)往復(fù)，正好對(duì)應(yīng)我們?cè)谇懊媾渲玫?2bit ADC精度。

圖18：ADC累加數(shù)據(jù)

將ADC的累加數(shù)配置更改為采集正常輸入信號(hào)后，我們外接了信號(hào)發(fā)生器，將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置成發(fā)送正弦波，下圖19是在FPGA內(nèi)部監(jiān)測(cè)到的一路正弦信號(hào)，其他路沒(méi)有接信號(hào)，是噪聲基線：

圖19：正弦波模擬信號(hào)的輸入測(cè)試

下圖20是用該板卡和上面描述的方案在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的3種放射源的混合能譜，看上去還可以吧！

圖20：實(shí)際放射源測(cè)試結(jié)果

JESD204B IP核與ADC的實(shí)際操作就到這里了，其實(shí)只要明白了jesd204協(xié)議的基本內(nèi)容和IP核各個(gè)端口的含義，開(kāi)發(fā)起來(lái)并不復(fù)雜。我們主要還是要仔細(xì)閱讀ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)，根據(jù)手冊(cè)給出的參數(shù)來(lái)確定IP核的工作參數(shù)即可。