基于FPGA的flash温度控制和锁相环系统

射频信号发生器数字电路若干关键子系统的设计和实现 基于FPGA的FLASH 温度控制和锁相环系统 答辩摘要 课题背景和作者工作FLASH数据存储系统温度控制系统锁相环系统 论文提纲 课题背景和作者工作FLASH数据存储系统温度控制系统锁相环系统 课题背景 移动通信终端测试仪的重要性射频信号发生器的作用射频信号发生器的组成模拟射频数字逻辑数字上变频 自动功率控制 ALC 任意波形发生器 ARB PCI接口 LVDS接口 SDRAM接口 FLASH接口 温度控制 分数锁相环硬件描述语言Verilog ISE软件平台 Xilinx公司VirtexIIPRO系列FPGA 作者工作 设计和实现了三个关键的数字逻辑子系统FLASH数据存储系统存储系统中各种类型的数据温度控制系统用在射频信号的自动功率控制部分调节功率检波管的工作温度 是实现射频信号功率控制的基础锁相环系统提供系统高性能时钟 论文提纲 课题背景和作者工作FLASH数据存储系统温度控制系统锁相环系统 FLASH数据存储系统架构 FLASH与FPGA 主控模块交互数据FPGA中数字电路提供FLASH数据访问功能 FPGA和主控模块之间通过PCI接口连接系统校准数据 任意波形发生器数据 系统运行中需要存储的其他数据 FLASH特性 采用AMD公司Am29LV160D型号的Flash芯片容量16Mb 两种配置方式2M 8bit和1M 16bit扇区化配置顶端模式和底端模式32 16 8 4Kb控制管脚 CE OE WE RESET BYTE RY BY FLASH数据存储系统的设计 分层设计顶层 逻辑控制层 物理层和时钟系统顶层执行读数据 写数据 整片擦除 扇区擦除 复位和静止六种命令逻辑控制层解析顶层命令 组织物理层执行得到物理层执行结果 向顶层反馈物理层执行指令的最终模块读数据 写数据 扇区擦除 整片擦除和复位五个模块时钟系统10MHZ频率 0相位的时钟信号 8相位的时钟信号 4相位的时钟信号 触发三个层次的模块依次进行 顶层设计 得到指令判断逻辑控制层的状态操作逻辑控制层设置使能信号设置与指令对应的操作码给出访问的地址空间和数据等待指令执行完成执行相关操作对于读数据 把数据写到相应的寄存器 并通知访问Flash的功能模块对于写数据 整片擦除和扇区擦除操作 顶层简单返回指令执行完毕信号 逻辑控制层设计 判断使能信号分析操作码的值判断物理层的忙 闲状态设置本层的忙 闲状态标志设置物理层子模块选择寄存器确定物理层完成情况后续操作 逻辑控制层恢复自身状态 并把数据信息和指令的执行情况报告给顶层 物理层设计 读数据 写数据 扇区擦除 整片擦除 复位控制管脚和命令序列配合使用 时钟系统设计 Flash数据存储系统需要频率10MHZ 0 8 4相位的三个时钟射频信号发生器的晶振电路输出频率40MHZ的信号FPGA开发平台ISE以IPcore形式提供DCM模块 DCM对输出信号的频率有限制 不能得到频率10MHZ的信号输入40MHZ的时钟信号给DCM模块 使它产生频率40MHZ 0 2 三种相位的信号 再通过分频模块得到所需的时钟信号 代码组织 Top模块定义接口的管脚 对其余模块进行配置 设置执行的指令序列 在测试阶段 指令序列是周期的 可以防止需要验证的信号在代码综合阶段被自动优化掉 便于应用ChipScope软件进行分析Controller模块实现逻辑控制层的功能Reset模块 Read模块 Write模块 ChipErase模块和SectorErase模块组成物理层时钟模块由DCM和分频功能模块两部分组成 调试和测试 确定硬件连接使用万用表直接测量编写FPGA程序代码进行验证验证模块功能精心规划指令序列向工程中嵌入ChipScope模块 使用ChipScope软件抓取数据 进行分析写数据命令时序 论文提纲 课题背景和作者工作FLASH数据存储系统温度控制系统锁相环系统 温度控制系统架构 温度控制系统由温度传感器 温度控制算法和温度调节模块组成温度传感器负责采集实时的温度值温度控制算法根据采集到的温度值和预先设定的目标值 发送控制信号去调节温度温度调节模块接收到控制信号后 开始调节温度温度传感器是单个数字芯片 温度采集和控制算法使用数字电路实现 温度调节模块是包含大功率电阻的模拟电路难点在温度采集模块的设计和实现 温度传感器 使用TI公司的温度传感器TMP141芯片TMP141芯片特性精度在2 以内 分辨度是0 25 在通常情况下 作为Slave器件和Master设备通信六个管脚 其中三个管脚可以配置 ADD0 ADD1和SWDADD0和ADD1是芯片地址标识SWD管脚是双向引脚 用来和外围控制器进行通信通过读写芯片内部的寄存器来实现外围器件和TMP141之间的信息交互 共有10个可用的寄存器设备参数 采集控制和转换速度三个寄存器可读可写 通过设置这三个寄存器对温度传感器进行控制 温度传感器 寄存器的读写需要按照指定的序列进行 依次是start 寄存器编号 读 写 数据位 校验位和确定位使用偶校验SWD总线上五种类型的信号数据0 数据1 Start信号 告警信号 复位信号发送数据时 Master设备首先发送至少11 s的高电平信号 再发送时间长度不同的低电平信号 用来区分信号的不同类型接收数据时 Master设备首先发送至少11 s的高电平 再发送15 s的低电平信号 接着从SWD管脚上接收信号 对接收信号进行分析 得到接收信号表示的含义 温度控制系统的设计 温度采集系统基于分层的设计 顶层 逻辑控制层和物理层顶层设计在频率1MHZ 相位0时钟的上升沿 维护一个状态序列 并不停的向逻辑链路层发送指令在逻辑链路层忙 闲标志的上升沿 实现采集温度值和对温度调节模块的控制逻辑控制层完成顶层和物理层之间的信息交互物理层复位模块 start模块 读bit模块 写 0 模块和写 1 模块使用频率1MHZ 相位0 80 40的时钟系统温度控制算法采用直接跟踪的控制方式温度调节系统使用一个功率1瓦的加热电阻去加热系统 电路设计简单 稳定性高 代码组织 时钟模块为系统其他部分提供时钟信号温度采集与调控模块负责采集温度值 并实现算法 去实现温度的调节指令模块按照设定顺序发送指令给Controller模块 在测试中为了便于应用ChipScope采集数据 指令顺序是循环的Controller模块实现逻辑控制层的设计Reset模块完成TMP141芯片的复位Read模块从TMP141芯片中读取数据Write 0 模块向TMP141芯片写数据 0 Write 1 模块向TMP141芯片写数据 1 Start模块向TMP141芯片发送start信号 调试和测试 测试硬件连接的正确性功能测试读取厂家信息寄存器 验证对TMP141芯片的操作从TMP141芯片得到温度值和实际测量值做对比验证设定不同的目标温度值 测试系统性能 论文提纲 课题背景和作者工作FLASH数据存储系统温度控制系统锁相环系统 分数锁相环系统组成 系统实现Fout Fref N K 鉴相器 分频器 调制是数字电路电荷泵 环路滤波器 压控振荡器是模拟电路 鉴相器和分频器 鉴相器鉴别参考信号和分频器输出信号的相位差 它的输出信号与两个输入信号的相位差成正比关系使用鉴频 鉴相器 PFD 分频器整数分频器和分数分频器分数分频器优点增加锁相环系统设计的灵活度减少输出信号中的相位噪声输出信号的频率分辨度小应用 调制 实现噪声成形的功能使用分数分频器 调制 MASH类型和单环 single loop 类型二阶 调制的分数锁相环系统 Fout Fref N K E 1 1 z 2 调制中的阶数累加器的个数不同一阶 调制的噪声转换函数 NTF 1 1 z 二阶 调制的噪声转换函数 NTF 1 1 z 2 二阶 调制的噪声转换函数 NTF 1 1 z 3一般不使用三阶以上的 调制 锁相环数字电路的设计与实现 top总体模块 包含组合逻辑功能和各个子模块的连接Jk module触发器模块 是鉴相器的子模块and module与模块 是鉴相器的子模块df module分频器模块 整数分频器fd module计数模块 调制模块的实现部分 锁相环频率分辨率和相位噪声 频率分辨率实际测量得到锁相环的频率分辨率可以达到10HZ数量级相位噪声锁相环相位噪声的主要来源是参考源和压控振荡器 在环路带宽之内 主要受时钟参考信号的影响 在环路带宽之外 主要受压控振荡器的影响使用频谱仪测量锁相环系统输出信号的相位噪声 相位噪声 频谱偏移点功率值 峰值功率 10 log rbw 实际测量得到锁相环系统的相位噪声近似值偏离主谱1KHZ 62dbc偏离主谱10KHZ 101dbc偏离主谱100KHZ 115dbc偏离主谱300KHZ 125dbc 频率转换时间 测量原理判断系