基于FPGA的AD7606B控制器的设计与实现

时间：2024-05-04

张良浩，孙瑞祥，于安波

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海，519070)

0 引言

在电机驱动应用领域，常见的模拟信号采样功能(ADC)通常集成在MCU中。片内多通道ADC工作模式为分时循环采样，因此无法满足某些高速多路同步的采样需求。在此类应用中，片外ADC芯片(AD7606B)可以更好地提高采样的同步性和准确性。AD7606B与DSP28335内置ADC的性能对比如表1所示[1～2]。AD7606B为同步采样、并行传输模式；DSP28335内置ADC为分时循环采样，串行传输模式。在均采用8通道采样的情况下，AD7606B的传输速率，比DSP28335内置ADC的传输速率快约10倍。

表1 AD7606B与片内ADC转换模块参数对比表

使用FPGA实现ADC芯片的控制功能，比起使用传统MCU可以进一步提升模拟数据的传输效率。使用传统MCU对ADC芯片控制会占用MCU的主频时钟，模拟数据的传输效率会受到接口读取效率和主频处理效率的限制；而FPGA本身为可编程逻辑型器件，其对信号的处理是通过对每个基本逻辑单元(CLB)的构建实现，因此其信号处理的速度与并行度要更为出色[3]。

1 硬件连接及功能说明[4～5]

为了最大限度的提升本方案的数据传输效率和准确性，AD7606B的设置采用并行接口+软件模式。FPGA与AD7606B的硬件电路连接图如图1所示。

图1 FPGA与AD7606B的硬件电路连接图

其中，OS2～OS0为硬件模式下过采样设置引脚，软件模式下全部置1；PAR/SER SEL为并行/串行接口选择输入，并行接口需置0；STBY和RANGE在软件模式下被忽略均置1；REF SELECT为内部/外部基准电压选择逻辑输入，置1选择并使能内部基准电压模式。AD7606B的其余各芯片引脚的功能及描述如表2所示。

表2 AD7606B通信接口功能表

2 控制器状态机设计

软件模式下AD7606B的控制器分为两类：一是ADC控制器，控制AD7606B的模拟数据采集及传输；二是寄存器控制器，用于FPGA对AD7606B的寄存器进行读写操作。

■2.1 ADC控制器状态机设计

并行接口模式下AD7606B的ADC读取时序图如图2所示。当AD7606B上电后，在10ms后，FPGA控制RESET信号上升。RESET保持至少3000ns高电平，即完全复位。复位完成后，经过253ns后，AD7606B进入空闲状态。此部分属于上电时序，不计入ADC控制器状态机的设计中。

图2 并行接口ADC读取时序图

在空闲状态下，FPGA控制CONVEST发出上升沿，AD7606B的8个模拟采样通道同时进行采样。CONVEST为转换开始输入信号，静默时保持高电平信号。CONVEST上升沿信号后，AD7606B给FPGA反馈BUSY高电平信号。BUSY维持高电平的时间内，AD7606B的8通道执行模拟数据转换。转换完成后，BUSY变为低电平信号，转换时间在0.65～0.85μs之间。通常情况下，应在AD7606B数据转换完成后，FPGA再对AD7606B进行数据读取，即CSn信号拉低。

在数据读取过程中，CSn保持低电平，FPGA通过依次发出8次RDn下降沿信号，AD7606B依次输出从1通道到8通道的ADC数据，RDn信号的周期需满足最小保持时间。并且AD7606B在输出1通道的转换值时，会发出高电平的FRSTDATA 信号（即1通道输出标志位），意在告知FPGA当前输出通道为1通道。完成8个通道的数据读取后，片选信号(CSn)拉高。至此完成了一个完整的AD7606B数据转换及读取流程，AD7606B再次进入空闲状态。

由上述分析，ADC控制器状态机可分为6个状态：IDLE、CONVST、BUSY、READ、READ_EDGE和RESPONSE，各状态间的转换关系如图3所示[6]。

图3 ADC模式状态机转换图

IDLE：空闲状态。所有信号及变量复位，得到控制指令，进入转换开始状态；

CONVST：转换开始状态。FPGA拉低CONVST信号，再拉高CONVST信号。得到AD7606B反馈的BUSY高电平信号，进入忙碌状态；

BUSY：忙碌状态。得到AD7606B反馈的BUSY低电平信号，进入读取状态；

READ：读取状态。FPGA拉低CSn和RDn信号，将16bit数据读入数组中，并进入读取边沿状态；

READ_EDGE：读取边沿状态。FPGA拉高RDn信号，并边沿计数加1。如果边沿计数小于8，进入读取状态；如果边沿计数为8，进入应答状态；

RESPONSE：应答状态。应答状态变量置1，并进入空闲状态。

■2.2 寄存器控制器状态机设计

AD7606B默认工作模式为ADC模式，需要通过读任意寄存器操作进入寄存器模式；当需要恢复到ADC模式时，需写入地址0x00。AD7606B的寄存器读写时序图如图4所示，包括读寄存器、写寄存器和退出寄存器模式三部分。

图4 并行接口寄存器读写时序图

寄存器读取通过两帧执行：首先将读取命令发送到AD7606B，其次是AD7606B输出寄存器内容。

在第一帧中：

CSn和WRn置0；

位DB15置1；

位DB[14:8]为读取寄存器地址；

位DB[7:0]被忽略。

在第二帧中：

CSn和RDn置0；

位DB15置0；

位DB[14:8]为被读取寄存器地址；

位DB[7:0]为读取数据。

寄存器写命令通过单帧执行：

CSn和WRn置0；

位DB15置0；

位DB[14:8]为写入寄存器地址；

位DB[7:0]为写入数据。

退出寄存器模式命令同寄存器写入命令时序格式相同，需写入地址0x00，数据被忽略。

由上述分析，寄存器控制器状态机可分为10个状态：IDLE、ADDRESS、ADDRESS_EDGE、READ、READ_EDGE、WRITE、WRITE_EDGE、EXIT、EXIT_EDGE和RESPONSE。各状态间的转换关系如图5所示。

图5 寄存器模式状态机转换图

IDLE：空闲状态。所有信号及变量复位，得到控制指令，进入寄存器读写状态；

ADDRESS：地址状态。FPGA拉低CSn和WRn信号，并对数据线写入{1'b1,address[6:0], 8'hxx}，进入地址边沿状态；

ADDRESS_EDGE：地址边沿状态。FPGA拉高WRn信号，并地址边沿计数加1，进入读取状态；

READ：读取状态。FPGA拉低RDn信号，AD7606B反馈16位并行数据。FPGA读取其中低8位所读寄存器数据，进入读取边沿状态；

READ_EDGE：读取边沿状态。FPGA拉高RDn信号。如果地址边沿计数小于n1，进入地址状态；如果等于n1，则进入写入状态；

WRITE：写入状态。FPGA拉低WRn信号，并对数据线写入{1'b0,address[6:0],data[7:0]}，进入写入边沿状态；

WRITE_EDGE：写入边沿状态。FPGA拉高WRn信号，并写入边沿计数加1。如果写入边沿计数小于n2，进入写入状态；如果边沿计数为n2，进入退出状态；

EXIT：退出状态。FPGA拉低WRn信号，并对数据线写入{1'b0,7'h00,8'hxx}，进入退出边沿状态；

EXIT_EDGE：退出边沿状态。FPGA拉高WRn信号，进入应答状态；

RESPONSE：应答状态。应答状态变量置1，并进入空闲状态。

3 测试验证

本文FPGA开发使用的Quartus开发环境，其内部集成了SignalTap II逻辑分析仪，用于分析数据变化。SignalTap II是利用FPGA内部的逻辑单元和RAM资源实时捕捉和显示信号[7]。与Modelsim仿真不同在于，SignalTap II需要与硬件结合，程序在FPGA中运行时实时显示FPGA各引脚及内部信号的测试数据。本文通过SignalTap II来测试所述状态机的工作波形，进而验证状态机设计的正确性。

■3.1 ADC模式状态机验证

FPGA在ADC模式下的测试信号波形如图6、图7所示。可以看出各控制信号线和数据信号线的工作时序与图2相一致。在数据读取段的局部波形图7中，可以更加清楚地看到各信号间的时间间隔。程序中所用时钟为50MHz，由此计算出的各信号的建立时间、保持时间等时间间隔均满足最小时限。

图6 ADC模式下测试信号波形图

图7 ADC模式下测试信号局部波形图

■3.2 寄存器模式状态机验证

寄存器模式状态机的测试波形如图8所示。测试波形由一次读取、一次写入和退出寄存器三部分组成，各控制信号和数据信号的时序均与图4一致。读取寄存器地址0x02，读取数据为0x08，为该寄存器的默认数据。写入寄存器地址0x03，写入数据为0x22，该数据设置了AD7606B的通道1、2的输入范围为±10V。退出寄存器地址0x00，数据位忽略。

图8 寄存器下测试信号波形图