摘要：介紹一種基于SOPC的基本信號產生器的設計技術，以Altera公司EP1C6Q240C8為硬件核心，把軟核CPU嵌入到FPGA之中構成片上系統(SOPC)，并結合存儲電路、高速DAC電路、LCD電路、鍵盤電路、JTAG配置電路以及電源電路等進行了硬件電路的設計，以此實現基本信號產生器。闡述了各主要模塊設計方案，并給出軟硬件測試圖。通過示波器觀察，滿足了系統設計要求，達到預期目標。
關鍵詞：FPGA；SOPC；Nios II；DDS；基本信號產生器
SOPC是以PLD取代ASIC，更加靈活、高效的SOC解決方案。SOPC的設計是通過以IP核為基礎、以硬件描述語言為主的設計手段，并借助于以計算機為平臺的EDA工具進行的。它代表一種新型的系統設計技術，也是一種軟硬件協同設計技術。可以方便地將硬件系統與常規軟件集成在單一可編程芯片中。它可編程的靈活性和IP設計的重用性保證了產品的差異性，并縮短面市時間，也無需庫存和一次性投片費用，降低了投資風險。所以相對于ASIC具有獨特的優勢，與ASIC一起形成共存互補的局面。
1 系統設計方案
本系統采用以EP1C6Q240C8為核心的設計方案，如圖1所示。
方案利用了FPGA優秀的集成特性，把Nios IICPU模塊、DDS模塊、4×4鍵盤掃描模塊等集成在FPGA上實現，外部只接少量的電源模塊、DAC模塊以及其他輸入輸出設備。把傳統的完全基于硬件的大部分工作轉換成在PC機上通過軟件設計編程來實現，減小了系統設計的復雜性。
工作原理如圖1所示。外接4×4鍵盤根據1602液晶顯示，通過FPGA的鍵盤掃描模塊向NiosⅡCPU發送鍵盤掃描碼，NiosII CPU根據接收到的掃描碼產生相應的信號數據以及控制信號，并通過PIO傳送給FPGA中的DDS模塊，之后DAC器件將DDS產生的8位信號數據進行數模轉換，從而產生任意頻率的方波、三角波、正弦波。
2 系統實現
本系統實現主要分3個層次：電路板級設計、FPGA硬件設計以及Nios II軟件程序設計。
2．1 電路板級
在電路板級設計中，采用Altera公司的EP1C6Q240C8作為設計核心，如圖3所示。由于FPGA配置數據掉電后會丟失，所以需要另外搭配一個配置芯片。EPCS1是Altera的專用配置芯片，專門用于存貯對FPGA的配置數據，以保證在FPGA掉電后還能夠保存配置信息，再次上電時FPGA芯片會自動從EPCS1中讀取數據進行配置。
為了便于功能更新以及擴展，在FPGA外加上Flash、SRAM和SDRAM作為FPGA的程序和數據存儲器的擴展，地址線通過EXT_ADDR引出，數據線通過EXT_DATA引出，增加電路的擴展性。
FPGA中DDS模塊的雙口RAM中輸出的數據為8位數字信號，只有通過DAC轉換電路才能將數據轉換成相應的模擬信號。綜合分辨力、轉換速度以及接口方式等要求，本設計采用ADI公司的AD9708作為系統DAC器件。AD9708的數據線和時鐘線與FPGA的I／O腳連接。AD9708的數字地和模擬地在片內是獨立的，應通過外部引腳將其連接在一起。同樣，模擬電源和數字電源在內部也是獨立的，為了減少來自數字電源的噪聲，可在模擬電源輸入端串聯一個磁珠再與數字電源連在一起。
2．2 FPGA硬件設計
FPGA硬件設計是建立在電路板設計基礎上的對FPGA芯片功能的設計，將一些可以在電路板上實現的功能在FPGA內部通過采用硬件描述語言或搭建模塊的方式來實現，減少了上層設計的工作量以及系統硬件的風險。通常本層設計是通過通用計算機平臺上的可視化編程軟件實現的，本設計采用Altera公司的Quartus II 8．1系列設計工具。
2．2．1 DDS模塊設計
如圖4所示，頻率控制字鎖存器保存頻率設置字M。雙口RAM的寫地址、寫數據以及寫使能端口完成對RAM中1 024 Byte數據的更新，N位累加器輸出結果的高10位作為雙口RAM的讀地址。在系統時鐘fclk的作用下累加器根據頻率控制字M輸出連續變化或跳躍變化的地址，雙口RAM循環輸出相應地址單元中的8位數據，此8位數據接到DAC輸入口。
假設雙口RAM中存放一個周期的正弦信號數據，那么此時DAC輸出的正弦信號的頻率fout=fclk×M／2N，同理，當雙口RAM中存放的是方波或者三角波數據時，DAC也會輸出相應頻率的信號。
模塊中32位頻率控制字鎖存器，是用VerilogHDL語言實現的，并生成自定義模塊以供上層原理圖調用。N位累加器和雙口RAM是利用Quar-tus II8．1中的MegaWizard Plug-IN manager定制實現。
2．2．2 定制Nios II CPU
32位的Nios II軟核是該基本信號發生器的核心模塊，主要用于人機界面的控制、鍵盤值的讀取以及控制DDS模塊輸出信號的頻率和樣式。
如圖1所示，CPU與外圍設備之間要添加相應的外圍接口，通過Avalon總線與相關部件相連，通過Avalon的讀寫時序對各個設備進行操作。在SOPCBuilder中可以提供眾多IP核，通過定制即可完成相應系統的設計。
在軟核定制過程中，I／O接口設計充分體現了軟核設計的可裁減優勢，根據系統設計的要求，任意改變IO口的個數和類型，使用方便。根據本設計功能的要求，確定IO口如表1所示。
為了使該基本信號產生器系統更加簡化，沒有擴展Flash存儲器以及SRAM存儲器，而采用EPCS1和FPGA內的RAM來代替。EP1C6Q240C8的RAM容量為92 160 bit，在配置時分配空間的大小因程序的大小而定，做到資源的充分合理應用。根據以上分析需要加入的組件有：NiosII CPU Core(CPU核)、片上存儲器以及PIO。配置完成后將會生成如圖5所示定制的CPU配置表。點擊Generate生成模塊，其模塊如圖6所示。
2．3 Nios II軟件程序設計
在系統軟件設計階段，采用的開發工具是Nios IIIDE，它是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發工具。所有軟件開發任務都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、調試和下載。
本程序實現的主要過程是：系統接收鍵盤掃描模塊發來的5位掃描碼，判斷鍵盤是否按下以及按下的鍵，根據按鍵的不同進入不同的子程序以實現LCD顯示、頻率控制字的寫入、信號數據的生成以及將其寫入雙口RAM。
主程序流程如圖7所示。
3 軟硬件測試
(1)在RAM中加入方波、三角波以及正弦波數據，并設定頻率控制字為0x003fffff。采用Quartus II8．1的嵌入式邏輯分析儀。Signal-TapII Logic Analyzer觀看雙口RAM輸出q[7．．0]，截圖如圖8所示。
(2)通過AS下載接口將硬件編程文件下載到EPCS1中，采用NiosⅡIDE通過JTAG接口運行軟件程序。通過鍵盤設置正弦波、方波以及三角波及其頻率值輸出，并且在1602液晶上顯示相應的提示信息，如圖11所示。
4 結束語
采用人機界面交互方式進行信號選擇、頻率設置等，Nios II CPU通過判斷鍵盤輸入在LCD上給出相應的顯示，提示用戶選擇相應的按鍵，輸入完畢后，CPU將產生的信號數據和頻率控制字傳送給雙口RAM和頻率控制字鎖存器，最后在DAC輸出端輸出相應模擬信號。通過示波器觀察所產生的正弦波、方波以及三角波，達到了預期的目標，滿足了系統設計要求。