Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（二）

Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（前导）

Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（一）

Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（三）

五、实验目的

本次实验使用电脑上的网络调试助手，将命令帧通过以太网芯片RTL8211（RGMII接口）发送至ACZ7015开发板，提取UDP报文内容转换成控制命令，从而实现对ACM9238模块采样频率、数据采样个数以及采样通道的配置。

配置完成之后，ACM9238模块开始采集数据，将采集的数据存储至DDR3中，然后通过网口以UDP协议传输到电脑。用户可以在电脑上通过网口调试工具进行指令的下发，并以文件的形式保存接收到的数据，然后使用MATLAB软件进行进一步的数据处理分析。

PL 部分的模块说明如下：

pll 模块：锁相环模块，输入时钟 50M，由 PS 输出给 PL；输出 100M 的时钟给到 DDR3 控制器使用；输出 50M 的时钟给其它模块使用。
eth_receive_cmd 模块：以太网接收命令模块，对以太网接收到的数据进行分析，将接收的数据转换成相应的控制数据并输出到对应的模块。
ad9238_ctrl 模块： ACM9238 控制器模块，该模块内部包含速度控制模块，以及数据位宽转换模块。
state_ctrl 模块： ADC 采集数据 DDR3 缓存以太网发送状态控制模块，协调各个模块的信号控制，程序状态的总控制模块。
fifo_axi4_adapter 模块： fifo 接口到 AXI4 接口的转换模块(含 2 个 FIFO)。

六、ACM9238模块

两路，

采样上限50Msps，如果期望以1Msps 的采样速率采样，则只需要每间隔 50 个采样数据取一个结果存储或使用，其他 49 个数据直接舍弃。不建议降低ADC芯片的时钟信号。

七、设计实例

7.1模块设计

7.1.1 eth_receive_cmd模块

将以太网接收到的数据进行解析，得到控制命令。

（1）eth_udp_rx_gmii模块和rgmii_to_gmii模块

（2）mmcm模块

锁相环模块，将 rgmii 接口时钟信号 rgmii_rx_clk_i 偏移90 °得到 rgmii_rx_clk 时钟信号。（为了在时钟信号的上升沿/下降沿取数据时，取得数据刚好是数据信号 rgmii_rxd 的正中间，使得采样的数据处于最稳定的状态。）

锁相环IP配置

（3）fifo_rx模块

使用该 IP 核解决采集过程中会出现的跨时钟域数据交互问题（以太网125MHz，ACM9238-50MHz）。

（4）eth_cmd模块

接收转命令模块。

//非空时产生FIFO读请求信号
always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)fifo_rd_req <= 1'b0;
else if(!rx_empty)fifo_rd_req <= 1'b1;
elsefifo_rd_req <= 1'b0;//获得帧命令数据
always@(posedge clk)
if(fifo_rd_req)begindata_0[7] <= #1 fifodout;data_0[6] <= #1 data_0[7];data_0[5] <= #1 data_0[6];data_0[4] <= #1 data_0[5];data_0[3] <= #1 data_0[4];data_0[2] <= #1 data_0[3];data_0[1] <= #1 data_0[2];data_0[0] <= #1 data_0[1];
end//判断帧命令数据
always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)beginaddress <= 0;cmd_data <= 32'd0;cmdvalid <= 1'b0;
end
else if(fifo_rx_done)beginif((data_0[0]==8'h55)&&(data_0[1]==8'hA5)&&(data_0[7]==8'hF0))begincmd_data[7:0] <= #1 data_0[6];cmd_data[15:8] <= #1 data_0[5];cmd_data[23:16] <= #1 data_0[4];cmd_data[31:24] <= #1 data_0[3];address <= #1 data_0[2];cmdvalid <= #1 1;endelsecmdvalid <= #1 0;
end
else
cmdvalid <= #1 0;

（5）cmd_rx模块

接收数据转换为控制数据。

寄存器说明：

always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)beginChannelSel <= 2'b00;DataNum <= 32'd0;ADC_Speed_Set <= 32'd0;RestartReq <= 1'b0;
end
else if(cmdvalid)begincase(cmd_addr)0: RestartReq <= 1'b1;1: ChannelSel <= cmd_data[1:0];2: DataNum <= cmd_data[31:0];3: ADC_Speed_Set <= cmd_data[31:0];default:;endcase
end
elseRestartReq <= 1'b0;

7.1.2 ad9238_ctrl 模块

控制ADC的采样速率，将12位数据转换为16位数据。

（1）speed_ctrl模块

always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)div_cnt <= 0;
else if(ad_sample_en)beginif(div_cnt >= div_set)div_cnt <= 0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'd1;
end
elsediv_cnt <= 0;always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)adc_data_en <= 0;
else if(div_cnt == div_set)adc_data_en <= 1;
elseadc_data_en <= 0;

（2）ad_12bit_to_16bit模块

always @(posedge clk)ad_out_valid <= ad_sample_en;assign s_ad_in1 = ad_in1 + 12'd2048;
assign s_ad_in2 = ad_in2 + 12'd2048;always @(posedge clk)
if(ad_sample_en && ch_sel == 2'b01)ad_out<={4'd0,s_ad_in1};//这样补 0 为了适应上位机
else if(ad_sample_en && ch_sel == 2'b10)ad_out<={4'd0,s_ad_in2};//
else if(ad_sample_en && ch_sel == 2'b00)ad_out<={4'd0,adc_test_data};
elsead_out <= 16'd0;

7.1.3 state_ctrl 模块

控制信号的产生以及 ADC 何时启动数据传输。

localparam IDLE = 4'd0; //空闲状态
localparam DDR_WR_FIFO_CLEAR = 4'd1; //DDR 写 FIFO 清除状态
localparam ADC_SAMPLE = 4'd2; //ADC 采样数据状态
localparam DDR_RD_FIFO_CLEAR = 4'd3; //DDR 读 FIFO 清除状态
localparam DATA_SEND_START = 4'd4; //数据发送状态
localparam DATA_SEND_WORKING = 4'd5; //数据发送完成状态

（1）IDLE

//ADC 模块开始采样标志信号寄存
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)start_sample_rm <= 1'b0;
else if(state==IDLE)start_sample_rm <= start_sample;
elsestart_sample_rm <= 1'b0;
end/*状态切换IDLE->DDR_WR_FIFO_CLEAR
beginif(start_sample_rm) begin //DDR 初始化完成并且产生启动采样信号state <= DDR_WR_FIFO_CLEAR; //进入写 FIFO 清除状态endelse beginstate <= state;end
end
*/

（2）DDR_WR_FIFO_CLEAR

//延时10个节拍
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)wrfifo_clr_cnt<=0;
else if(state==DDR_WR_FIFO_CLEAR)//如果进入了清 fifo 状态
beginif(wrfifo_clr_cnt==9)wrfifo_clr_cnt<=5'd9;elsewrfifo_clr_cnt<=wrfifo_clr_cnt+1'b1;
end
elsewrfifo_clr_cnt<=5'd0;
end//给清FIFO信号足够的拉高时间
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if (reset)wrfifo_clr<=0;
else if(state==DDR_WR_FIFO_CLEAR)beginif(wrfifo_clr_cnt==0||wrfifo_clr_cnt==1||wrfifo_clr_cnt==2)wrfifo_clr<=1'b1;elsewrfifo_clr<=1'b0;end
elsewrfifo_clr<=1'b0;
end/*状态切换DDR_WR_FIFO_CLEAR->ADC_SAMPLE
beginif(!wrfifo_full && (wrfifo_clr_cnt==9))state<=ADC_SAMPLE;elsestate<=DDR_WR_FIFO_CLEAR;
end
*/

（3）ADC_SAMPLE

//根据ADC输出使能信号计数
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)adc_sample_cnt<=1'b0;
else if(state==ADC_SAMPLE)beginif(adc_data_en)adc_sample_cnt<=adc_sample_cnt+1'b1;elseadc_sample_cnt<=adc_sample_cnt;
end
elseadc_sample_cnt<=1'b0;
end//产生采样使能信号给其他模块
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)ad_sample_en<=0;
else if(state==ADC_SAMPLE)ad_sample_en<=1;
elsead_sample_en<=0;
end/*状态切换ADC_SAMPLE->DDR_RD_FIFO_CLEAR
beginif((adc_sample_cnt>=set_sample_num-1'b1)&& adc_data_en)state<=DDR_RD_FIFO_CLEAR;elsestate<=state;
end
*/

（4）DDR_RD_FIFO_CLEAR

//延时10个节拍
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)rdfifo_clr_cnt<=0;
else if(state==DDR_RD_FIFO_CLEAR)//如果进入了清 fifo 状态
beginif(rdfifo_clr_cnt==9)rdfifo_clr_cnt<=5'd9;elserdfifo_clr_cnt<=rdfifo_clr_cnt+1'b1;
end
elserdfifo_clr_cnt<=5'd0;
end//给清FIFO信号足够的拉高时间
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if (reset)rdfifo_clr<=0;
else if(state==DDR_RD_FIFO_CLEAR)
beginif(rdfifo_clr_cnt==0||rdfifo_clr_cnt==1||rdfifo_clr_cnt==2)rdfifo_clr<=1'b1;
elserdfifo_clr<=1'b0;
end
elserdfifo_clr<=1'b0;
end/*状态切换DDR_RD_FIFO_CLEAR->DATA_SEND_START
beginif(!rdfifo_empty && (rdfifo_clr_cnt==9))beginstate<=DATA_SEND_START;endelsestate<=state;
end
*/

（5）DATA_SEND_START

/*状态切换DATA_SEND_START->DATA_SEND_WORKING
beginstate <= DATA_SEND_WORKING;
end
*/

（6）DATA_SEND_WORKING

//发送数据计数
always@(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)send_data_cnt<=32'd0;
else if(state==IDLE)send_data_cnt<=32'd0;
else if(rdfifo_rden)send_data_cnt<=send_data_cnt+1;
elsesend_data_cnt<=send_data_cnt;
end//DDR数据存到以太网缓存
always@(posedge clk or posedge reset)
if(reset) begineth_fifo_wrreq <= 1'b0;eth_fifo_wrdata <= 'd0;
end
else if(rdfifo_rden) begineth_fifo_wrreq <= 1'b1;eth_fifo_wrdata <= rdfifo_dout;
end
else begineth_fifo_wrreq <= 1'b0;eth_fifo_wrdata <= 'd0;
end/*状态切换DATA_SEND_WORKING->IDLE、DATA_SEND_WORKING->DATA_SEND_WORKING
beginif(send_data_cnt >= set_sample_num-1'b1) beginrdfifo_rden <= 1'b0;state <= IDLE;endelse beginrdfifo_rden <= 1'b1;state <= DATA_SEND_WORKING;end
end
*/

7.1.4 fifo_axi_adapter模块

看文章开头：Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（一）。

S_IDLE:
beginif(start)next_state = S_ARB;elsenext_state = S_IDLE;
end

module fifo_axi4_adapter #(parameter FIFO_DW                = 16     ,parameter WR_AXI_BYTE_ADDR_BEGIN = 0      ,parameter WR_AXI_BYTE_ADDR_END   = 1023   ,parameter RD_AXI_BYTE_ADDR_BEGIN = 0      ,parameter RD_AXI_BYTE_ADDR_END   = 1023   ,parameter AXI_DATA_WIDTH         = 128    ,parameter AXI_ADDR_WIDTH         = 28     ,parameter AXI_ID                 = 4'b0000,parameter AXI_BURST_LEN          = 8'd31    //burst length = 32
)
(input                          start         ,// clock resetinput                          clk           ,input                          reset         ,// wr_fifo wr Interfaceinput                          wrfifo_clr    ,input                          wrfifo_clk    ,input                          wrfifo_wren   ,input   [FIFO_DW-1:0]          wrfifo_din    ,output                         wrfifo_full   ,output  [15:0]                 wrfifo_wr_cnt ,// rd_fifo rd Interfaceinput                          rdfifo_clr    ,input                          rdfifo_clk    ,input                          rdfifo_rden   ,output  [FIFO_DW-1:0]          rdfifo_dout   ,output                         rdfifo_empty  ,output  [15:0]                 rdfifo_rd_cnt ,// Master Interface Write Address Portsoutput  [3:0]                  m_axi_awid    ,output  [AXI_ADDR_WIDTH-1:0]   m_axi_awaddr  ,output  [7:0]                  m_axi_awlen   ,output  [2:0]                  m_axi_awsize  ,output  [1:0]                  m_axi_awburst ,output  [0:0]                  m_axi_awlock  ,output  [3:0]                  m_axi_awcache ,output  [2:0]                  m_axi_awprot  ,output  [3:0]                  m_axi_awqos   ,output  [3:0]                  m_axi_awregion,output                         m_axi_awvalid ,input                          m_axi_awready ,// Master Interface Write Data Portsoutput  [AXI_DATA_WIDTH-1:0]   m_axi_wdata   ,output  [AXI_DATA_WIDTH/8-1:0] m_axi_wstrb   ,output                         m_axi_wlast   ,output                         m_axi_wvalid  ,input                          m_axi_wready  ,// Master Interface Write Response Portsinput   [3:0]                  m_axi_bid     ,input   [1:0]                  m_axi_bresp   ,input                          m_axi_bvalid  ,output                         m_axi_bready  ,// Master Interface Read Address Portsoutput  [3:0]                  m_axi_arid    ,output  [AXI_ADDR_WIDTH-1:0]   m_axi_araddr  ,output  [7:0]                  m_axi_arlen   ,output  [2:0]                  m_axi_arsize  ,output  [1:0]                  m_axi_arburst ,output  [0:0]                  m_axi_arlock  ,output  [3:0]                  m_axi_arcache ,output  [2:0]                  m_axi_arprot  ,output  [3:0]                  m_axi_arqos   ,output  [3:0]                  m_axi_arregion,output                         m_axi_arvalid ,input                          m_axi_arready ,// Master Interface Read Data Portsinput   [3:0]                  m_axi_rid     ,input   [AXI_DATA_WIDTH-1:0]   m_axi_rdata   ,input   [1:0]                  m_axi_rresp   ,input                          m_axi_rlast   ,input                          m_axi_rvalid  ,output                         m_axi_rready  
);

7.1.5 eth_send_data 模块

将DDR读出的ADC数据发送到电脑端。

（1）fifo_tx模块

First Word Fall Through（ FWFT）可以不需要读命令，自动将最新的数据放在 dout 上。

（2）eth_send_ctrl模块

以太网帧最大长度 1518 字节（数据段 1500 字节），其中数据段 1500 字节还包括 20 字节 IP 报文头部和 8 字节 UDP 报文头部，所以数据帧发送的ACM9238 采集的数据最大长度为 1472 字节。

  always@(posedge clk125M or negedge reset_n)if(!reset_n) beginpkt_tx_en <= 1'd0;pkt_length <= 16'd0;data_num <= 32'd0;state <= 0;cnt_dly_time <= 28'd0;endelse begincase(state)0://得到 pkt_length 信号的初始值beginif(restart_req)begindata_num <= total_data_num;if((total_data_num << 1) >= 16'd1472)beginpkt_length <= 16'd1472;	//一个数据2个字节state <= 1;endelse if((total_data_num << 1) > 0)beginpkt_length <= total_data_num << 1; //一个数据2个字节state <= 1;endelse beginstate <= 0;endendend1: beginif(fifo_rd_cnt >= (pkt_length -2)) beginpkt_tx_en <= 1'd1;state <= 2;endelse beginstate <= 1;pkt_tx_en <= 1'd0;endend2:beginpkt_tx_en <= 1'd0;if(eth_tx_done)begindata_num <= data_num - pkt_length/2;state <= 3;endend3:if(cnt_dly_time >= cnt_dly_min)beginstate <= 4;cnt_dly_time <= 28'd0;endelse begincnt_dly_time <= cnt_dly_time + 1'b1;state <= 3;end4:beginif(data_num * 2 >= 16'd1472)beginpkt_length <= 16'd1472;state <= 1;endelse if(data_num * 2 > 0)beginpkt_length <= data_num * 2;state <= 1;endelse beginstate <= 0;endenddefault:state <= 0;endcaseend