基于模型的DDS芯片設計與實現(xiàn)

　0 引言

　　1971 年，美國學者J.Tierncy.C.M.Rader 和B. Gold 應用全數(shù)字技術，從相位概念出 發(fā)給出了直接合成波形的一種新的頻率合成原理， 這就是DDS （ Direct DIGITAL Synthesizer）,直接數(shù)字合成技術。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展尤其是大規(guī)模超高速FPGA 技術日漸成熟，以及對DDS 的深入研究，使得DDS 的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達 到與鎖相頻率合成器相當?shù)乃絒1]。與其它頻率合成方法相比，DDS 具有頻率轉換時間短、 頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化、易于集成等突出優(yōu)點。本文提出的方法 基于Xilinx 公司和它的合作者聯(lián)合提出的XtremeDSP 解決方案，從系統(tǒng)結構設計直接映射 到基于FPGA 的DSP 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)。在這種基于模型的設計技術中，利用Simulink 的圖形化界面由系統(tǒng)的技術條件建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過算法對模型進行仿真優(yōu)化，再轉化成IP 核實現(xiàn)。System generator 同Simulink 模型工具結合，可以將算法參數(shù)化、最優(yōu)化，并可 自動從行為級的系統(tǒng)模型轉換到FPGA 實現(xiàn)，不需手工重設，從而避免了繁瑣的編程工作，大大節(jié)省了開發(fā)時間并降低了出錯的概率。

　　1 DDS 的基本原理

　　2 在MATLAB 中建立的DDS 模型并在ISE 中實現(xiàn)

　　2.1 建立DDS 模型

　　Simulink 是一個可用于多領域動態(tài)系統(tǒng)仿真的平臺，為動態(tài)系統(tǒng)提供建模和分析的方法，提供交互的圖形化方框圖環(huán)境帶有為信號處理、通信和控制等可定制的模塊集。System Generator 就是Xilinx 公司的一個專有模塊集（Blockset），它是Simulink 的一個插件， 包括基本DSP 函數(shù)和邏輯算符，其中包含的預先定義好的模塊可以保證FPGA 實現(xiàn)時位和周 期的正確。用它可以自動生成VHDL 語言、測試向量等文件，還可以自動將特定的設計模塊 映射成高度優(yōu)化的IP 核模型。在本文介紹的設計中，最后生成的工程文件中就自動映射出一個累加器核和一個單口塊ROM 核。

　　根據(jù)DDS 控制原理在MATLAB 環(huán)境中建立如下的模型（圖1）：其中在存儲正弦數(shù)據(jù)的RO中設定Depth 為：4096，Initial Value Vector 為：2047*sin(pi*(0:4095)/2048)+2047， 即讓System Generator 在編譯過程中自動產生一個存儲4096 個正弦數(shù)據(jù)的ROM。為了配合 使用開發(fā)板上的D/A 模塊，ROM 中的每個值設置成12 位無符號數(shù)。Accumulator 模塊用來進 行相位的累加，AddSub 模塊將相位偏移量與相位累加值相加，作為ROM2 的地址輸入。在仿真前，設置相位控制字為PWord=512,由公式算出移相后的波形應該較基準正弦波偏移；設置頻率控制字FWord=4，將仿真時間設置為2048，這樣 從理論上我們應該可以看到兩個周期的完整波形輸出。運行仿真，可以在Scope 中觀察到如圖2.1 中波形。改變控制字的值，就可以得到不同頻率、不同相位的波形(圖2.2)。

　　2.2 在ISE 中實現(xiàn)并仿真

　　點擊System Generator 圖標中的generate 按鈕，生成可綜合的VHDL 代碼，并在ISE 中打開。先對代碼使用Synthesize-XST 進行綜合，通過之后可以觀察到系統(tǒng)RTL 級視圖。 然后創(chuàng)建一個.tbw 文件對綜合后的設計進行仿真，能夠得到和MATLAB 環(huán)境下一樣的仿真結果(按照正弦規(guī)律變化的離散數(shù)值序列)。為了能夠在實驗板上實現(xiàn)設計，在ISE 環(huán)境中建立 頂層文件，將System Generator 產生的文件與PicoBlaze 的控制程序文件結合，再進行對 應的功能仿真，正確后加載約束文件，生成比特流文件。

　3 設計的硬件實現(xiàn)

　　選擇在Xilinx 公司的Spartan-3E Starter Kit 開發(fā)板上實現(xiàn)整個設計。在該開發(fā)板 上，有一片LTC2* D/A 芯片，通過一個SPI 接口與FPGA 管腳相接，能夠提供4 路獨立的模擬量輸出。為了便于對D/A 芯片以及各種控制接口的控制，在實現(xiàn)過程中使用了一個 PicoBlaze 軟核。

　　PicoBlaze 是一個緊湊型、資源占用極少、完全嵌入式的8 位精簡指令集 微控制器軟核。我們可以在文本編輯環(huán)境下根據(jù)PicoBlaze 的指令系統(tǒng)編寫自己的控制代 碼，然后保存為.psm 格式的文件，再用Xilinx 的KCPSM3 assembler 對文件進行編譯，編譯通過后自動生成一個儲存用戶程序的ROM（VHDL 文件）。將生成的ROM 文件和KCPSM3 軟核加載到工程中，并建立上層文件對各輸入、輸出口及中斷進行配置，這樣，一個PicoBlaze 軟核就設計成功了。 在PicoBlaze 的控制程序中采用軟件中斷方式控制D/A 芯片以20KHZ 的頻率對數(shù)字量采 樣。在每個采樣過程中，由PicoBlaze 軟核控制向D/A 芯片發(fā)送32 位控制字，其中有12 位待轉換的數(shù)字量、4 位通道選擇控制字、4 位模式控制字，其余各位為0。在ISE 中對主時鐘進行軟件分頻，將開發(fā)板上原本50MHZ 的時鐘降低到100KHZ 之后再接到DDS 產生電路 的輸入時鐘端口。這樣， 在FWord ＝ ４的情況下， DDS 的輸出頻率輸入時鐘可以直接接入50MHZ 的晶振，這樣，在同樣頻率控制字的情況下輸出頻率也會相應 提高。這里分頻只是為了配合相對低速的D/A 芯片，以使得輸出波形每個周期的采樣數(shù)相對 多一些，以便于用示波器進行觀察。

　　將生成的比特流代碼下載到目標板，板上的開關信號作為用戶接口控制FWord 的值，控制不同開關的關閉和開啟，模擬不同頻率控制字的情況，得到不同頻率的波形，用示波器 觀察開發(fā)板上J5 連接器的A 通道，得到如圖3 的波形：觀察波形，與由公式計算出的理論值吻合，證明了本文所介紹的方法的有效性、可行性。在ISE 的設計使用摘要窗口中，我們可以清楚的看到該系統(tǒng)所占用的芯片資源極少，由此可見，如果我們加大ROM 的深度，并且 通過DCM 時鐘管理提高主時鐘頻率的話，能夠很容易的實現(xiàn)更高頻率、更高精度的DDS 芯片。

　　4 結語

　　該設計過程演示了在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下使用Xilinx 公司的System Generator 模塊集對DDS 建模，并在ISE 中進行編譯、仿真，最終在開發(fā)板上實現(xiàn)DDS 功能芯片的過程。 雖然在ISE 集成環(huán)境中已經(jīng)提供了DDS 的IP 核供編程者使用，但是只能產生正弦或者余弦 波形，在需要產生其它波形（如方波、三角波等）的場合難以發(fā)揮作用，而且根據(jù)DDS 原理使用軟件編程方法產生其它波形具有一定的復雜性，容易出錯且效率不高。本文介紹的方法 具有數(shù)字頻率合成的普遍性，設計者通過修改ROM 中存儲的初始值向量，可以用類似的方法 達到產生任意波形的目的。這是一種在Xtreme 系統(tǒng)中實現(xiàn)DSP 設計的普遍方法，使用這樣的設計流程，可以避免編寫煩瑣的HDL 程序，更可以實現(xiàn)其它更加復雜的DSP 算法。該方法 充分發(fā)揮了使用FPGA 實現(xiàn)DSP 系統(tǒng)所具有的高度并行性、重構靈活性以及低性價比的優(yōu)勢， 在無線基站、復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)、視頻服務和醫(yī)療圖象等DSP 領域將得到更加廣泛的應用。

　　本文的創(chuàng)新點：不僅提出了一種先進的基于模型的DDS 芯片的設計新方法，而且通過實 際實驗在硬件開發(fā)板上實現(xiàn)了整個設計構想，實驗結果符合設計要求，驗證了該設計方法的 正確性、可行性。