基于CPLD的任意波形發(fā)生器

摘  要：本文設計了一種任意波形發(fā)生器(Arbitrary Wave Generator,AWG). 該AWG 采用AT90S8515 RISC指令單片機做控制器，采用CPLD (Complex Programmable Logic Device) 構(gòu)造控制電路。配合AWG的使用，編制了上位機軟件，在上位機可以動態(tài)設置要產(chǎn)生的波形。

關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器，CPLD, 微控制器

引言

任意波形發(fā)生器(Arbitrary Wave Generator,以下簡稱AWG)在通信系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等方面得到廣泛應用。本文利用自主研制的150 MSPS (Million Sampling Per Second)12位DAC (Digital Analog Converter)和300MSPS 12位DAC，基于CPLD技術(shù)，設計了一種AWG。要產(chǎn)生的波形通過上位機軟件設置，然后將波形數(shù)據(jù)下載到AWG，AWG在CPLD的高速控制電路下將波形數(shù)據(jù)送高速DAC進行轉(zhuǎn)換形成所要的波形。下面先分析AWG的硬件結(jié)構(gòu)。 
   
任意波形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)

AWG的工作過程是，首先接收上位機送來的波形數(shù)字信號存儲到SRAM，然后啟動控制電路從SRAM取出數(shù)據(jù)送DAC進行數(shù)摸轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號送低通濾波器形成波形。如果DAC工作在150MSPS的速度下，可以以150MHz的頻率送數(shù)據(jù)到DAC進行轉(zhuǎn)換，微控制器的晶振輸入一般工作在40MHz以下，沒有這么高的速度送出數(shù)據(jù)到DAC，所以考慮采用CPLD構(gòu)建硬件控制電路。數(shù)據(jù)首先傳送到SRAM，然后在CPLD硬件控制電路的控制下，以150MHz的頻率從SRAM中取數(shù)送DAC轉(zhuǎn)換。其體系結(jié)構(gòu)如圖一所示。如果要形成正弦周期信號，每周期4個點就可以合成一個波形，此時可以輸出約38MHz的高頻信號。

 
 
圖一 AWG硬件結(jié)構(gòu)

CPLD(Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)是在傳統(tǒng)的PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，具有多種工作方式和高集成、高速、高可靠性等明顯的特點，在超高速領(lǐng)域和實時測控方面有非常廣泛的應用。與FPGA相比，CPLD比較適合計算機總線控制、地址譯碼、復雜狀態(tài)機、定時/計數(shù)器、存儲控制器等I/O密集型應用，且無須外部配置ROM、時延可預測等。目前的CPLD普遍基于E2PROM和Flash電可擦技術(shù)，可實現(xiàn)循環(huán)擦寫。Altera 公司的MAX7000 CPLD配置有JTAG口，支持ISP編程。用VHDL或Verilog HDL(Hardware Description Language, 硬件描述語言)設計的程序，借助EDA工具經(jīng)過行為仿真、功能仿真和時序仿真后，通過綜合工具產(chǎn)生網(wǎng)表，下載到目標器件，從而生成硬件電路。

本裝置中，CPLD采用Altera公司的EPM7128AE [4]，其最高工作頻率達200MHz。微控制器采用Atmel公司AVR微控制器AT90S8515[2],其主要特征有：增強型RISC體系結(jié)構(gòu)CPU，8K Flash，512 字節(jié) EEPROM，512 字節(jié) Internal SRAM，UART，SPI，寬電壓范圍: 2.7 - 6.0V。SRAM選用64K x 16的CY7C1021V。 

下面對CPLD控制電路進行分析。

CPLD電路設計 

CPLD主要負責以高速率（150MHz）從SRAM中取數(shù)到DAC，其核心電路是一個13位的計數(shù)器。波形數(shù)據(jù)文件的大小為8Kbytes。如果要擴大波形文件的大小，可以根據(jù)需要增加CPLD的地址計數(shù)器容量。在CPLD內(nèi)部構(gòu)造的DAC控制電路如圖二所示，下面對其控制流程進行分析。

    PA[15:0]接AT90S8515的2個8位并行口；D[15:0]接SRAM的數(shù)據(jù)線D0-D15；AD[12:0]接SRAM的地址線A0-A12；DB[15:0]接DAC的D0-D11（D12-D15不用）；CLK_SEL選擇計數(shù)器的時鐘輸入方式；CLK_AVR接MCU的一個I/O端，通過軟件編程在CLK_AVR輸出脈沖信號作為計數(shù)器的時鐘；CLK_CPLD接150MHz時鐘信號；/WR和 /WE接MCU的I/O端。

當PC機下載數(shù)據(jù)時，其控制流程如下：
①     CLK_SEL=0，選擇軟件時鐘
②     復位地址計數(shù)器
③     MCU送數(shù)據(jù)到PA[15：0]
④    /WR從0變到1，打開從MCU到SRAM的數(shù)據(jù)緩沖器將數(shù)據(jù)寫入SRAM
⑤    給CLK_AVR一個脈沖，讓計數(shù)器增1從而指向SRAM的下一個接收地址單元。

當數(shù)據(jù)下載完成后， 啟動CPLD從SRAM取數(shù)據(jù)到DAC，其控制流程如下：
①     WE=1，打開從SRAM到DAC的緩沖器。
②     CLK_SEL=1，計數(shù)器的輸入時鐘選擇150MHz的外部時鐘，
③     復位地址計數(shù)器，外部高速時鐘的驅(qū)動下地址計數(shù)器開始計數(shù)，從SRAM中取出數(shù)據(jù)送到DAC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

 
CPLD的編程在Quartus II 5.0環(huán)境下進行，Quartus的設計輸入支持AHDL、VHDL、Verilog HDL等硬件描述語言的程序輸入和圖形輸入，這里采用圖形輸入的方式。完成設計輸入后，依次進行編譯、功能仿真、時序仿真。下圖三是CPLD取數(shù)據(jù)到DAC進行轉(zhuǎn)換的時序仿真結(jié)果。圖中CPLD的工作頻率為125MHz,實際工作中最高工作在200MHz，從圖中可以看出，每來一個時鐘，CPLD從SRAM中取出一個數(shù)據(jù)送DAC進行A/D轉(zhuǎn)換。最后將結(jié)果下載到CPLD內(nèi)部運行。

 
軟件設計 

AWG的軟件采用CodeVision AVR C [3] 編寫，AT90S8515支持ISP（In System Programming, 在系統(tǒng)編程），程序編譯后經(jīng)JTAG口下載到AT90S8515中。為配合該裝置的使用，我們在VB開發(fā)環(huán)境下設計了上位機軟件，其運行界面如圖四所示，在該軟件中選擇要產(chǎn)生的波形，然后下載到AWG。

AWG和PC機采用RS-232串口通信, 上電運行后等待PC傳送波形，接收完波形數(shù)據(jù)后，啟動CPLD從SRAM中取出數(shù)據(jù)送DAC進行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)低通濾波器形成輸出波形。

 
 
圖四 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件

結(jié)語 

AWG和PC機通過RS232串口連接后，運行PC機軟件，在PC機上選擇要生成的波形，生成波形數(shù)據(jù)下載到AWG，可以選擇線性調(diào)制技術(shù)的絕對相移鍵控(BPSK)、相對相移鍵控(DPSK)、四相相移鍵控(QPSK)、交錯正交相移鍵控(OQPSK)、π/4偏移差分相移鍵控(π/4—DQPSK)，恒包絡調(diào)制的二進制頻移鍵控(FSK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)，混合線性和恒包絡調(diào)制技術(shù)的M相相移鍵控(MPSK)、多進制正交幅度調(diào)制(QAM)、多進制頻移鍵控(MFSK)等波形，下載到AWG生成所要的波形。下圖五是DAC工作在125MHz下合成的2FSK（Frequency Shift Key）波形。

 
圖五 2FSK波形

參考文獻：
[1]  黃正謹，徐堅等，CPLD系統(tǒng)設計技術(shù)入門與應用，2002，北京
[2]  Atmel Corp., AT90S8515 datasheet, 2002
[3]  Atmel Corp., CodeVision AVR C Compiler Reference, 2002
[4]  Altera Corp., MAX7000 Programmable Logic Device Family Data sheet, November,2001