FPGA+DSP的高速AD采集處理開發(fā)詳解

peng85246 · 發(fā)表于 2020-6-16 15:46:03

一、案例說明

Kintex-7 FPGA使用SRIO IP核作為Initiator，通過AD9613模塊采集AD數(shù)據(jù)。AD9613采樣率為250MSPS，雙通道12bit，12bit按照16bit發(fā)送，因此數(shù)據(jù)量為16bit * 2 * 250M = 8Gbps；
AD數(shù)據(jù)通過SRIO由Kintex-7發(fā)送到C6678 DSP(Target)的0x0C3F0000~0x0C3F7FFF的地址空間，數(shù)據(jù)量為32KByte，使用SWRITE方式，期間每傳16KByte數(shù)據(jù)后就發(fā)送一個(gè)DOORBELL信息，讓C6678做乒乓處理。Kintex-7通過SRIO與C6678連接，共4個(gè)lane，每個(gè)lane的通信速率為5Gbps，數(shù)據(jù)有效帶寬為20Gbps * 80% = 16Gbps；
采集到的AD數(shù)據(jù)可分別通過Xilinx Vivado和TI CCS軟件查看波形，并在C6678做FFT處理。

此開發(fā)案例基于創(chuàng)龍Kintex-7+C6678評(píng)估板TL6678F-EasyEVM進(jìn)行。

二、案例框圖

三、案例演示

硬件連接：

將創(chuàng)龍AD9613高速AD模塊TL9613/9706F（此模塊集成高速DA，DA芯片為AD9706）通過FMC接口與評(píng)估板連接。

信號(hào)發(fā)生器設(shè)置成兩路正弦波輸出，幅度設(shè)置：1.5Vpp以及無直流偏置，頻率設(shè)置：1MHz。
信號(hào)發(fā)生器的兩路輸出分別連接到模塊的ADC_CHA、ADC_CHB。

FPGA端

參考TL6678F-EasyEVM評(píng)估板光盤用戶手冊(cè)《基于下載器的程序固化與加載》文檔中“Vivado下bit文件加載步驟”章節(jié)，將tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.bit文件燒錄到FPGA。燒寫bit文件時(shí)，指定調(diào)試文件tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.ltx，可以觀察到ILA調(diào)試信號(hào)，查看ADC采樣波形。

ADC兩路信號(hào)tl_fmc_ad9613_srio_bd_i/xlslice_l_Dout[11:0]

和tl_fmc_ad9613_srio_bd_i/xlslice_l_Dout[11:0]在ILA內(nèi)嵌邏輯分析儀中均設(shè)置為有符號(hào)數(shù)、模擬波形顯示，如下圖所示：

ILA觸發(fā)抓取兩路ADC采樣波形，如下圖所示（兩路正弦波形）:

2. DSP端

參考TL6678F-EasyEVM評(píng)估板光盤用戶手冊(cè)《CCS工程的生成與加載》文檔，在“tl-fmc-ad9613-srio/DSP/src”目錄下建立CCS工程并導(dǎo)入到CCS軟件中編譯生成tl-srio-fft.out文件，通過仿真器加載tl-srio-fft.out文件到DSP端。將tl-srio-fft.out下載到C6678 Core0 ~ Core7核中，在tl-srio-fft.c窗口中紅色框標(biāo)注的地方創(chuàng)建breakpoint，使DSP程序運(yùn)行后能暫停，如下圖所示：

因?yàn)镃ore0負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，為確保其他核跟Core0是同步開始傳輸，所以Core0核最后運(yùn)行（Core0核可查看原始波形以及振幅波形，其他核僅可查看原始波形）。運(yùn)行程序，DSP程序正常暫停，可通過圖像波形形式查看數(shù)據(jù)，使用Graph工具，輸入下述配置，查看Channel A波形數(shù)據(jù)。

輸入下圖配置，查看Channel A經(jīng)過FFT振幅波形。

若出現(xiàn)波形顯示不正�；驔]有波形產(chǎn)生，請(qǐng)參考以下操作：

1.請(qǐng)確保已正常加載GEL文件。

2.請(qǐng)確保Breakpoint設(shè)置成功，DSP程序能夠暫停。

3.請(qǐng)硬件斷電重啟后重新燒寫FPGA和DSP程序。

頻率計(jì)算：

FFT變換點(diǎn)數(shù)N=512，AD采樣率Fs為250MSPS。某點(diǎn)n所表示的頻率為：Fn=n*(Fs/N) （n >=0）。當(dāng)n=0時(shí)，F(xiàn)n為0，因?yàn)榈谝稽c(diǎn)表示的是直流分量，所以頻率為0，幅值也為0，因?yàn)樵撜也]有直流分量。

從上面的FFT振幅波形圖中可以看出，Channel A在第6個(gè)點(diǎn)處有信號(hào)，所以對(duì)應(yīng)的頻率為Fn = 6 * (Fs/N) = 6 * 250MHz / 512 = 2.9296875 MHz。對(duì)應(yīng)原始信號(hào)3MHz。

此處存在誤差，目前采樣點(diǎn)為512個(gè)，一個(gè)點(diǎn)表示Fs/N= 488.281KHZ，所以如果需要提高精度，用戶可以提高采樣點(diǎn)。

通過查看串口輸入數(shù)據(jù)，也可查看處理結(jié)果。其中peak point代表振幅圖峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)；amplitude代表振幅圖幅值；input frequency根據(jù)振幅圖計(jì)算的輸入頻率。

四、關(guān)鍵代碼說明

管腳約束

例程管腳約束文件位于TL6678F-EasyEVM評(píng)估板光盤Vivado工程“src\constraints”目錄下。

2. FPGA端的代碼

頂層文件tl_fmc_ad9613_srio.v的主要功能：

端口定義。

使用STARTUPE2原語提供的EOS作為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，使用STARTUPE2原語提供的內(nèi)部65MHz時(shí)鐘CFGMCLK作為系統(tǒng)時(shí)鐘。

配置時(shí)鐘芯片，輸出125MHz的參考時(shí)鐘為SRIO IP核。

調(diào)試Block design。


可以查看生成的RTL原理圖：

 3. DSP端的代碼

（1）main函數(shù)初始化srio子系統(tǒng)，hwi中斷注冊(cè)。

（2）srio_db_isr響應(yīng)srio doorbell中斷，以郵箱方式通知Core0 ~ Core7核同時(shí)進(jìn)行FFT運(yùn)算。

（3）tl_srio_fft任務(wù)等待郵箱信號(hào)，Core0 ~ Core7核同時(shí)進(jìn)行FFT運(yùn)算。

（4）tl_fft_amplitude任務(wù)等待信號(hào)量置位，Core0核進(jìn)行FFT振幅運(yùn)算，通過串口打印數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

五、Block Design說明

Block Design如下：

1. Select IO IP核配置說明
參考TL6678F-EasyEVM評(píng)估板光盤tl-fmc-ad9613例程的IP核與模塊介紹章節(jié)。
2. SRIO IP配置說明

SRIO鏈路寬度設(shè)置為4個(gè)lane，通信頻率為5Gbps（即每個(gè)lane均為5Gbps），參考時(shí)鐘為125MHz；設(shè)置8bit位寬的ID，且ID=0xFF。

Port I/O Style選擇為Initiator/Target模式，其中Condensed I/O接收和發(fā)送均使用一個(gè)AXI4-Stream通道，Initiator/Target接收和發(fā)送采用不同的AXI4-Stream通道。

I/O Format：I/O端口配置使用HELLO格式包。

其他參數(shù)保持保持默認(rèn)值即可。

更詳細(xì)說明請(qǐng)查閱IP核手冊(cè)：《pg007_srio_gen2.pdf》。
3. data_to_srio RTL模塊功能

連續(xù)不停地將AD9613采集的數(shù)據(jù)寫入FPGA FIFO。
控制FIFO讀操作，每次從FIFO讀取完指定的數(shù)據(jù)并通過AXI4-stream接口傳輸?shù)絊RIO IP。其中本例程每發(fā)送16KByte的數(shù)據(jù)就發(fā)送一個(gè)DOORBELL信息，通知DSP（Target）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。



雙擊block degin中的模塊，可配置：
Doorb Triger Threshold:門鈴觸發(fā)閾值，本例設(shè)置為16384Bytes = 16KB，即通過SRIO發(fā)送16KB的數(shù)據(jù)后就發(fā)送一個(gè)DOORBELL信息。
SrioDoorb info1：發(fā)送完Doorb Triger Threshold個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后發(fā)送的門鈴信息。
Srio Doorb info2：發(fā)送完2倍的Doorb Triger Threshold個(gè)數(shù)據(jù)之后發(fā)送的門鈴信息。
Srio Target Addr：SRIO Target的內(nèi)存地址。（本例設(shè)置的為DSP的MSMC地址0x0C3F0000）
Srio Target Id：SRIO Target的ID。

Srio Local Id：SRIO Iitiator的ID。

代碼解釋：

端口定義

FIFO原語。

配置FIFO大小為36 Byte，讀寫數(shù)據(jù)的位寬為64bit(FIFO深度為512)。ALMOST_EMPTY_OFFSET和ALMOST_FULL_OFFSET配置為0x20，即32；即當(dāng)FIFO寫入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于32個(gè)，ALMOST_FULL輸出高電平。
本例FIFO設(shè)置位寬為64bit，所以64bit * 32 / 8 = 256 Byte，即當(dāng)FIFO寫入數(shù)據(jù)大于256 Byte，ALMOST_FULL會(huì)輸出高電平。
因?yàn)镾RIO的package最大有效數(shù)據(jù)為256 Byte，為了確保SRIO能傳輸完整的數(shù)據(jù)包，所以設(shè)置FIFO的門限值為256Byte.

FIFO原語詳細(xì)說明請(qǐng)查閱：《ug473_7Series_Memory_Resources.pdf》。

FIFO寫控制

因?yàn)锳D9613輸出的AD數(shù)據(jù)為雙通道的24bit，所以分別將兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)補(bǔ)成16bit。然后保存到data_in_store中。
因?yàn)镕IFO的位寬64bit，而上個(gè)步驟將AD的雙通道數(shù)據(jù)補(bǔ)成了32bit，所以每存夠兩個(gè)32bit的AD數(shù)據(jù)，湊成64bit的data_in_store，再使能fifo_wr_en信號(hào)，把64bit的數(shù)據(jù)寫入FIFO。
后寫入的數(shù)據(jù)存在高32位，發(fā)送到SRIO Target端（DSP），方便其按順序處理數(shù)據(jù)。



其中wr_cnt為一個(gè)1bit，計(jì)數(shù)只有0和1兩個(gè)值。