FPGA+DSP的高速AD采集处理开发详解

peng85246 · 发表于 2020-6-16 15:46:03

一、案例说明

Kintex-7 FPGA使用SRIO IP核作为Initiator，通过AD9613模块采集AD数据。AD9613采样率为250MSPS，双通道12bit，12bit按照16bit发送，因此数据量为16bit * 2 * 250M = 8Gbps；
AD数据通过SRIO由Kintex-7发送到C6678 DSP(Target)的0x0C3F0000~0x0C3F7FFF的地址空间，数据量为32KByte，使用SWRITE方式，期间每传16KByte数据后就发送一个DOORBELL信息，让C6678做乒乓处理。Kintex-7通过SRIO与C6678连接，共4个lane，每个lane的通信速率为5Gbps，数据有效带宽为20Gbps * 80% = 16Gbps；
采集到的AD数据可分别通过Xilinx Vivado和TI CCS软件查看波形，并在C6678做FFT处理。

此开发案例基于创龙Kintex-7+C6678评估板TL6678F-EasyEVM进行。

二、案例框图

三、案例演示

硬件连接：

将创龙AD9613高速AD模块TL9613/9706F（此模块集成高速DA，DA芯片为AD9706）通过FMC接口与评估板连接。

信号发生器设置成两路正弦波输出，幅度设置：1.5Vpp以及无直流偏置，频率设置：1MHz。
信号发生器的两路输出分别连接到模块的ADC_CHA、ADC_CHB。

FPGA端

参考TL6678F-EasyEVM评估板光盘用户手册《基于下载器的程序固化与加载》文档中“Vivado下bit文件加载步骤”章节，将tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.bit文件烧录到FPGA。烧写bit文件时，指定调试文件tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.ltx，可以观察到ILA调试信号，查看ADC采样波形。

ADC两路信号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内嵌逻辑分析仪中均设置为有符号数、模拟波形显示，如下图所示：

ILA触发抓取两路ADC采样波形，如下图所示（两路正弦波形）:

2. DSP端

参考TL6678F-EasyEVM评估板光盘用户手册《CCS工程的生成与加载》文档，在“tl-fmc-ad9613-srio/DSP/src”目录下建立CCS工程并导入到CCS软件中编译生成tl-srio-fft.out文件，通过仿真器加载tl-srio-fft.out文件到DSP端。将tl-srio-fft.out下载到C6678 Core0 ~ Core7核中，在tl-srio-fft.c窗口中红色框标注的地方创建breakpoint，使DSP程序运行后能暂停，如下图所示：

因为Core0负责系统初始化，为确保其他核跟Core0是同步开始传输，所以Core0核最后运行（Core0核可查看原始波形以及振幅波形，其他核仅可查看原始波形）。运行程序，DSP程序正常暂停，可通过图像波形形式查看数据，使用Graph工具，输入下述配置，查看Channel A波形数据。

输入下图配置，查看Channel A经过FFT振幅波形。

若出现波形显示不正常或没有波形产生，请参考以下操作：

1.请确保已正常加载GEL文件。

2.请确保Breakpoint设置成功，DSP程序能够暂停。

3.请硬件断电重启后重新烧写FPGA和DSP程序。

频率计算：

FFT变换点数N=512，AD采样率Fs为250MSPS。某点n所表示的频率为：Fn=n*(Fs/N) （n >=0）。当n=0时，Fn为0，因为第一点表示的是直流分量，所以频率为0，幅值也为0，因为该正弦波没有直流分量。

从上面的FFT振幅波形图中可以看出，Channel A在第6个点处有信号，所以对应的频率为Fn = 6 * (Fs/N) = 6 * 250MHz / 512 = 2.9296875 MHz。对应原始信号3MHz。

此处存在误差，目前采样点为512个，一个点表示Fs/N= 488.281KHZ，所以如果需要提高精度，用户可以提高采样点。

通过查看串口输入数据，也可查看处理结果。其中peak point代表振幅图峰值点横坐标；amplitude代表振幅图幅值；input frequency根据振幅图计算的输入频率。

四、关键代码说明

管脚约束

例程管脚约束文件位于TL6678F-EasyEVM评估板光盘Vivado工程“src\constraints”目录下。

2. FPGA端的代码

顶层文件tl_fmc_ad9613_srio.v的主要功能：

端口定义。

使用STARTUPE2原语提供的EOS作为系统复位信号，使用STARTUPE2原语提供的内部65MHz时钟CFGMCLK作为系统时钟。

配置时钟芯片，输出125MHz的参考时钟为SRIO IP核。

调试Block design。

可以查看生成的RTL原理图：

 3. DSP端的代码

（1）main函数初始化srio子系统，hwi中断注册。

（2）srio_db_isr响应srio doorbell中断，以邮箱方式通知Core0 ~ Core7核同时进行FFT运算。

（3）tl_srio_fft任务等待邮箱信号，Core0 ~ Core7核同时进行FFT运算。

（4）tl_fft_amplitude任务等待信号量置位，Core0核进行FFT振幅运算，通过串口打印数据处理结果。

五、Block Design说明

Block Design如下：

1. Select IO IP核配置说明
参考TL6678F-EasyEVM评估板光盘tl-fmc-ad9613例程的IP核与模块介绍章节。
2. SRIO IP配置说明

SRIO链路宽度设置为4个lane，通信频率为5Gbps（即每个lane均为5Gbps），参考时钟为125MHz；设置8bit位宽的ID，且ID=0xFF。

Port I/O Style选择为Initiator/Target模式，其中Condensed I/O接收和发送均使用一个AXI4-Stream通道，Initiator/Target接收和发送采用不同的AXI4-Stream通道。

I/O Format：I/O端口配置使用HELLO格式包。

其他参数保持保持默认值即可。

更详细说明请查阅IP核手册：《pg007_srio_gen2.pdf》。
3. data_to_srio RTL模块功能

连续不停地将AD9613采集的数据写入FPGA FIFO。
控制FIFO读操作，每次从FIFO读取完指定的数据并通过AXI4-stream接口传输到SRIO IP。其中本例程每发送16KByte的数据就发送一个DOORBELL信息，通知DSP（Target）对数据进行处理。

双击block degin中的模块，可配置：
Doorb Triger Threshold:门铃触发阈值，本例设置为16384Bytes = 16KB，即通过SRIO发送16KB的数据后就发送一个DOORBELL信息。
SrioDoorb info1：发送完Doorb Triger Threshold个字节的数据之后发送的门铃信息。
Srio Doorb info2：发送完2倍的Doorb Triger Threshold个数据之后发送的门铃信息。
Srio Target Addr：SRIO Target的内存地址。（本例设置的为DSP的MSMC地址0x0C3F0000）
Srio Target Id：SRIO Target的ID。

Srio Local Id：SRIO Iitiator的ID。

代码解释：

端口定义

FIFO原语。

配置FIFO大小为36 Byte，读写数据的位宽为64bit(FIFO深度为512)。ALMOST_EMPTY_OFFSET和ALMOST_FULL_OFFSET配置为0x20，即32；即当FIFO写入数据个数大于32个，ALMOST_FULL输出高电平。
本例FIFO设置位宽为64bit，所以64bit * 32 / 8 = 256 Byte，即当FIFO写入数据大于256 Byte，ALMOST_FULL会输出高电平。
因为SRIO的package最大有效数据为256 Byte，为了确保SRIO能传输完整的数据包，所以设置FIFO的门限值为256Byte.

FIFO原语详细说明请查阅：《ug473_7Series_Memory_Resources.pdf》。

FIFO写控制

因为AD9613输出的AD数据为双通道的24bit，所以分别将两个通道的数据补成16bit。然后保存到data_in_store中。
因为FIFO的位宽64bit，而上个步骤将AD的双通道数据补成了32bit，所以每存够两个32bit的AD数据，凑成64bit的data_in_store，再使能fifo_wr_en信号，把64bit的数据写入FIFO。
后写入的数据存在高32位，发送到SRIO Target端（DSP），方便其按顺序处理数据。