选题三：基于 FPGA 的多功能协议调试器 设计要求： 使用高云 FPGA 设计一个多功能数字信号调试器（推荐使用 ACG525 或 ACG720），能够实现对各种数字信号的分析和调试功能 基础要求： 1、 串行协议转换：基于 CDC 串口驱动的 USB 转 SPI、I2C、UART、多路 PWM 输出 2、 数字信号测量：能够测量周期性数字信号的频率、占空比、高低电平时间 3、 模拟信号采集：能够驱动高速 ADC（并口或 LVDS 接口，采样率不低于 10Msps）实现高速模拟信号的采集，存储和传输， 4、 模拟信号发生器：能够驱动高速 DAC（并口或 LVDS 接口，采样率不低于 10Msps）实现高速模拟信号输出，支持含正弦波、方波、三角波、锯齿波等不低于 5 种波形输出 给出每个模块的详细代码和设计思路

### 设计思路 #### 串行协议转换模块 串行协议转换模块用于在不同串行通信协议之间进行数据转换，如UART转SPI。其核心思路是解析输入协议的数据帧，提取有效数据，然后按照目标协议的格式重新封装并发送。首先，根据输入协议的特点设计接收逻辑，将接收到的串行数据转换为并行数据。接着，对并行数据进行处理，可能包括数据校验、格式转换等。最后，根据目标协议的时序要求，将处理后的数据转换为串行数据发送出去。 #### 数字信号测量模块 数字信号测量模块主要用于测量数字信号的频率、占空比等参数。通过计数器对信号的上升沿和下降沿进行计数，结合时钟信号的周期，可以计算出信号的频率和占空比。在FPGA中，可以使用硬件计数器和状态机来实现这一功能。状态机用于控制测量过程的各个阶段，如信号的捕获、计数和结果计算。 #### 模拟信号采集模块 模拟信号采集模块通过ADC（模拟 - 数字转换器）将模拟信号转换为数字信号。FPGA需要控制ADC的采样时序，确保ADC按照设定的采样频率进行采样。同时，FPGA还需要接收并处理ADC输出的数字数据，可能包括数据滤波、校准等操作。 #### 模拟信号发生器模块 模拟信号发生器模块通过DAC（数字 - 模拟转换器）将数字信号转换为模拟信号。FPGA需要生成特定波形的数字信号，如正弦波、方波等。可以使用查找表（LUT）来存储波形数据，通过不断读取LUT中的数据并输出到DAC，实现模拟信号的生成。 ### 代码示例 #### 串行协议转换模块（UART转SPI示例） ```verilog // UART接收模块 module uart_receiver ( input wire clk, input wire rst_n, input wire uart_rx, output reg [7:0] data_out, output reg data_valid ); // 波特率计数器 reg [15:0] baud_count; // 状态机状态 reg [3:0] state; // 数据位计数器 reg [2:0] bit_count; // 状态机定义 localparam IDLE = 4'b0000; localparam START = 4'b0001; localparam DATA = 4'b0010; localparam STOP = 4'b0011; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin baud_count <= 16'd0; state <= IDLE; bit_count <= 3'd0; data_out <= 8'd0; data_valid <= 1'b0; end else begin case (state) IDLE: begin if (!uart_rx) begin state <= START; baud_count <= 16'd0; end end START: begin if (baud_count == 16'd16) begin state <= DATA; baud_count <= 16'd0; bit_count <= 3'd0; end else begin baud_count <= baud_count + 16'd1; end end DATA: begin if (baud_count == 16'd32) begin data_out[bit_count] <= uart_rx; bit_count <= bit_count + 3'd1; baud_count <= 16'd0; if (bit_count == 3'd7) begin state <= STOP; end end else begin baud_count <= baud_count + 16'd1; end end STOP: begin if (baud_count == 16'd32) begin state <= IDLE; data_valid <= 1'b1; baud_count <= 16'd0; end else begin baud_count <= baud_count + 16'd1; data_valid <= 1'b0; end end endcase end end endmodule // SPI发送模块 module spi_transmitter ( input wire clk, input wire rst_n, input wire [7:0] data_in, input wire data_valid, output reg spi_sck, output reg spi_mosi ); // 位计数器 reg [2:0] bit_count; // 状态机状态 reg [1:0] state; // 状态机定义 localparam IDLE = 2'b00; localparam TRANSFER = 2'b01; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin bit_count <= 3'd0; state <= IDLE; spi_sck <= 1'b0; spi_mosi <= 1'b0; end else begin case (state) IDLE: begin if (data_valid) begin state <= TRANSFER; bit_count <= 3'd7; spi_mosi <= data_in[bit_count]; end end TRANSFER: begin if (bit_count == 3'd0) begin state <= IDLE; spi_sck <= 1'b0; end else begin spi_sck <= ~spi_sck; if (spi_sck) begin bit_count <= bit_count - 3'd1; spi_mosi <= data_in[bit_count]; end end end endcase end end endmodule // 顶层模块 module uart_to_spi ( input wire clk, input wire rst_n, input wire uart_rx, output wire spi_sck, output wire spi_mosi ); wire [7:0] data_out; wire data_valid; uart_receiver uart_rx_inst ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .uart_rx(uart_rx), .data_out(data_out), .data_valid(data_valid) ); spi_transmitter spi_tx_inst ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .data_in(data_out), .data_valid(data_valid), .spi_sck(spi_sck), .spi_mosi(spi_mosi) ); endmodule ``` #### 数字信号测量模块 ```verilog module digital_signal_measurement ( input wire clk, input wire rst_n, input wire signal_in, output reg [31:0] frequency, output reg [31:0] duty_cycle ); // 上升沿计数器 reg [31:0] rising_count; // 下降沿计数器 reg [31:0] falling_count; // 时钟周期计数器 reg [31:0] clk_count; // 状态机状态 reg [1:0] state; // 状态机定义 localparam IDLE = 2'b00; localparam COUNT_RISING = 2'b01; localparam COUNT_FALLING = 2'b10; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin rising_count <= 32'd0; falling_count <= 32'd0; clk_count <= 32'd0; state <= IDLE; frequency <= 32'd0; duty_cycle <= 32'd0; end else begin case (state) IDLE: begin if (signal_in) begin state <= COUNT_RISING; rising_count <= 32'd0; falling_count <= 32'd0; clk_count <= 32'd0; end end COUNT_RISING: begin clk_count <= clk_count + 32'd1; if (!signal_in) begin state <= COUNT_FALLING; falling_count <= 32'd0; end else begin rising_count <= rising_count + 32'd1; end end COUNT_FALLING: begin clk_count <= clk_count + 32'd1; if (signal_in) begin state <= COUNT_RISING; // 计算频率 frequency <= clk_count / (rising_count + falling_count); // 计算占空比 duty_cycle <= (rising_count * 100) / (rising_count + falling_count); rising_count <= 32'd0; falling_count <= 32'd0; end else begin falling_count <= falling_count + 32'd1; end end endcase end end endmodule ``` #### 模拟信号采集模块（假设使用简单的ADC接口） ```verilog module analog_signal_acquisition ( input wire clk, input wire rst_n, input wire adc_cs_n, input wire adc_sck, input wire adc_miso, output reg [11:0] adc_data ); // 数据位计数器 reg [3:0] bit_count; // 状态机状态 reg [1:0] state; // 状态机定义 localparam IDLE = 2'b00; localparam READ_DATA = 2'b01; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin bit_count <= 4'd0; state <= IDLE; adc_data <= 12'd0; end else begin case (state) IDLE: begin if (!adc_cs_n) begin state <= READ_DATA; bit_count <= 4'd0; end end READ_DATA: begin if (adc_sck) begin adc_data[11 - bit_count] <= adc_miso; bit_count <= bit_count + 4'd1; if (bit_count == 4'd11) begin state <= IDLE; end end end endcase end end endmodule ``` #### 模拟信号发生器模块（正弦波发生器示例） ```verilog module analog_signal_generator ( input wire clk, input wire rst_n, output reg [11:0] dac_data ); // 相位计数器 reg [15:0] phase_count; // 查找表地址 reg [7:0] lut_addr; // 正弦波查找表 reg [11:0] sine_lut [255:0]; // 初始化正弦波查找表 initial begin integer i; for (i = 0; i < 256; i = i + 1) begin sine_lut[i] = 12'd2048 + 12'd2047 * $sin(2 * 3.14159 * i / 256); end end always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin phase_count <= 16'd0; lut_addr <= 8'd0; dac_data <= 12'd0; end else begin phase_count <= phase_count + 16'd1; lut_addr <= phase_count[15:8]; dac_data <= sine_lut[lut_addr]; end end endmodule ``` ###