Zynq—AD9238数据采集DDR3缓存千兆以太网发送实验（二）

chinalihuanyu2024-03-09 12:56

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。

cpp 复制代码 
//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;
else
    fifo_rd_req <= 1'b0;


//获得帧命令数据
always@(posedge clk)
if(fifo_rd_req)begin
    data_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)begin
    address <= 0;
    cmd_data <= 32'd0;
    cmdvalid <= 1'b0;
end
else if(fifo_rx_done)begin
    if((data_0[0]==8'h55)&&(data_0[1]==8'hA5)&&(data_0[7]==8'hF0))
    begin
        cmd_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;
    end
    else
        cmdvalid <= #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：

cpp 复制代码 
always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)begin
    ChannelSel <= 2'b00;
    DataNum <= 32'd0;
    ADC_Speed_Set <= 32'd0;
    RestartReq <= 1'b0;
end
else if(cmdvalid)begin
    case(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
else
    RestartReq <= 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
cpp 复制代码 
always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)
    div_cnt <= 0;
else if(ad_sample_en)begin
    if(div_cnt >= div_set)
        div_cnt <= 0;
    else
        div_cnt <= div_cnt + 1'd1;
end
else
    div_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;
else
    adc_data_en <= 0;
（2）ad_12bit_to_16bit模块
cpp 复制代码 
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};
else
    ad_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。

cpp 复制代码 
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

cpp 复制代码 
//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;
else
    start_sample_rm <= 1'b0;
end

/*状态切换IDLE->DDR_WR_FIFO_CLEAR
begin
    if(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
    end
    else begin
        state <= state;
    end
end
*/

（2）DDR_WR_FIFO_CLEAR

cpp 复制代码 
//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
begin
    if(wrfifo_clr_cnt==9)
        wrfifo_clr_cnt<=5'd9;
    else
        wrfifo_clr_cnt<=wrfifo_clr_cnt+1'b1;
end
else
    wrfifo_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)
    begin
        if(wrfifo_clr_cnt==0||wrfifo_clr_cnt==1||wrfifo_clr_cnt==2)
            wrfifo_clr<=1'b1;
        else
            wrfifo_clr<=1'b0;
    end
else
    wrfifo_clr<=1'b0;
end

/*状态切换DDR_WR_FIFO_CLEAR->ADC_SAMPLE
begin
    if(!wrfifo_full && (wrfifo_clr_cnt==9))
        state<=ADC_SAMPLE;
    else
        state<=DDR_WR_FIFO_CLEAR;
end
*/

（3）ADC_SAMPLE

cpp 复制代码 
//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)begin
    if(adc_data_en)
        adc_sample_cnt<=adc_sample_cnt+1'b1;
    else
        adc_sample_cnt<=adc_sample_cnt;
end
else
    adc_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;
else
    ad_sample_en<=0;
end

/*状态切换ADC_SAMPLE->DDR_RD_FIFO_CLEAR
begin
    if((adc_sample_cnt>=set_sample_num-1'b1)&& adc_data_en)
        state<=DDR_RD_FIFO_CLEAR;
    else
        state<=state;
end
*/

（4）DDR_RD_FIFO_CLEAR

cpp 复制代码 
//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
begin
    if(rdfifo_clr_cnt==9)
        rdfifo_clr_cnt<=5'd9;
    else
        rdfifo_clr_cnt<=rdfifo_clr_cnt+1'b1;
end
else
    rdfifo_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)
begin
    if(rdfifo_clr_cnt==0||rdfifo_clr_cnt==1||rdfifo_clr_cnt==2)
        rdfifo_clr<=1'b1;
else
        rdfifo_clr<=1'b0;
end
else
    rdfifo_clr<=1'b0;
end

/*状态切换DDR_RD_FIFO_CLEAR->DATA_SEND_START
begin
    if(!rdfifo_empty && (rdfifo_clr_cnt==9))begin
        state<=DATA_SEND_START;
    end
    else
        state<=state;
end
*/

（5）DATA_SEND_START

cpp 复制代码 
/*状态切换DATA_SEND_START->DATA_SEND_WORKING
begin
    state <= DATA_SEND_WORKING;
end
*/

（6）DATA_SEND_WORKING

cpp 复制代码 
//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;
else
    send_data_cnt<=send_data_cnt;
end

//DDR数据存到以太网缓存
always@(posedge clk or posedge reset)
if(reset) begin
    eth_fifo_wrreq <= 1'b0;
    eth_fifo_wrdata <= 'd0;
end
else if(rdfifo_rden) begin
    eth_fifo_wrreq <= 1'b1;
    eth_fifo_wrdata <= rdfifo_dout;
end
else begin
    eth_fifo_wrreq <= 1'b0;
    eth_fifo_wrdata <= 'd0;
end

/*状态切换DATA_SEND_WORKING->IDLE、DATA_SEND_WORKING->DATA_SEND_WORKING
begin
    if(send_data_cnt >= set_sample_num-1'b1) begin
        rdfifo_rden <= 1'b0;
        state <= IDLE;
    end
    else begin
        rdfifo_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）。

cpp 复制代码 
S_IDLE:
begin
    if(start)
        next_state = S_ARB;
    else
        next_state = S_IDLE;
end
cpp 复制代码 
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 reset
  input                          clk           ,
  input                          reset         ,
  // wr_fifo wr Interface
  input                          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 Interface
  input                          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 Ports
  output  [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 Ports
  output  [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 Ports
  input   [3:0]                  m_axi_bid     ,
  input   [1:0]                  m_axi_bresp   ,
  input                          m_axi_bvalid  ,
  output                         m_axi_bready  ,
  // Master Interface Read Address Ports
  output  [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 Ports
  input   [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。

cpp 复制代码 
  always@(posedge clk125M or negedge reset_n)
  if(!reset_n) begin
    pkt_tx_en <= 1'd0;
    pkt_length <= 16'd0;
    data_num <= 32'd0;
    state <= 0;
    cnt_dly_time <= 28'd0;
  end
  else begin
    case(state)
        0://得到 pkt_length 信号的初始值
            begin
                if(restart_req)begin
                    data_num <= total_data_num;
                    if((total_data_num << 1) >= 16'd1472)begin
                        pkt_length <= 16'd1472;	//一个数据2个字节
                        state <= 1;
                    end
                    else if((total_data_num << 1) > 0)begin
                        pkt_length <= total_data_num << 1; //一个数据2个字节
                        state <= 1;
                    end
                    else begin
                        state <= 0;
                    end
				end
            end
         1: 
            begin
                if(fifo_rd_cnt >= (pkt_length -2)) begin
                    pkt_tx_en <= 1'd1;
                    state <= 2;
                end
                else begin
                    state <= 1;
                    pkt_tx_en <= 1'd0;
                end
            end
         2:
            begin
                pkt_tx_en <= 1'd0;
                if(eth_tx_done)begin
					data_num <= data_num - pkt_length/2;
					state <= 3;
				end
            end
         
        3:
			if(cnt_dly_time >= cnt_dly_min)begin
               state <= 4;
               cnt_dly_time <= 28'd0;
            end
            else begin
               cnt_dly_time <= cnt_dly_time + 1'b1;
			   state <= 3;
            end
         4:
            begin
                if(data_num * 2 >= 16'd1472)begin
					pkt_length <= 16'd1472;
					state <= 1;
				end
				else if(data_num * 2 > 0)begin
					pkt_length <= data_num * 2;
					state <= 1;
				end
				else begin
					state <= 0;
				end
            end
          
          default:state <= 0;
         
    endcase
  end
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