【实验指导手册】AC620_AD9226_RGMII千兆以太网数据采集系统

磕磕碰碰

[基于FPGA的Ad9226数据采集系统设计与验证]

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实验所涉及文件说明

本次实验配套的文件压缩包名为AC620_AD9226_RGMII.zip，解压后可得到配套的工程文件，说明文档和调试工具。

图 1 项目文件

1、AC620_AD9226_RGMII.zip：基于AC620开发板（Cyclone IV E FPGA）QUARTUS II 13.0平台AD9226数据采集系统源工程

2、ADCdata_to_wave_v2_2.m：基于MATLAB的采样结果数据处理函数

3、sscom5.13.1: 网口调试工具

4、实验简易说明

导读

本节介绍了基于FPGA的AD9226数据采集系统实验步骤。本案例基于芯路恒Cyclone IV E FPGA，结合两片 ADI 公司的单芯片、12 位、65 MSPS 模数转换器（ADC）AD9226芯片，实现了利用网口对AD9226数据采样转换控制并输出。

工程目标

本工程通过利用学习开发板上资源，实现ACM9226模块的网口数据采集功能。

本工程在实验条件下，期望达到如下功能要求：

1、 实验通过数据采集模块实现模数转换，传递给开发板。在这里，我们采用ACM9226双通道数据采集模块作为数据采集卡进行数据采集。为了真实模拟数据采集的实验环境，我们借助信号发生器作为信号源，使用时可以通过设置其不同频率进行采样观察效果。

2、 使用相关的网口通信软件，通过网口下发指令，可以设定需要采集的字节数，选择采集通道号，启动采集。

3、 使用相关的网口通信软件，可以按设定的采集参数，接收采集的数据。数据通过网口发送到网口调试软件。将读取到的数据我们进行DAT文件的保存，便于后期分析。

4、 采集到的数据经过matlab波形分析，能够得到和输入波形一致的输出波形，无数据丢失，无杂波。

指令设置与管脚绑定

AD9226的控制指令，由8个字节的数据组成，前两个字节D0，D1用55 A5，最后一个字节D7帧尾用F0，标明这是一个接收的指令，第三个字节D2，标明的是控制存储地址，本工程中，我们定义00是发送启动命令，01是采样通道号，02是采样深度。

网口一次发送的数据内容为1个字节，为了实现通过网口修改这些寄存器的值，需要发送多个字节才能实现，为此，设计了简单的数据帧，该帧一帧数据共8个字节，包含帧头、帧尾、地址段（决定任务设定目标）、数据段。帧格式如下表 1所示：

表 1 指令帧格式

数据	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7
功能	帧头0	帧头1	地址	data[31:24]	data[23:16]	data[15:8]	data[7:0]	帧尾
值	0x55	0xA5	xx	xx	xx	xx	xx	0xF0

下面讲解一下典型的参数设置方法：

如果采512字节的数据，则设置为：55 A5 02 00 00 01 00 F0

如果采65536字节的数据，则设置为：55 A5 02 00 00 80 00 F0

采样速率如果是5k，整个字节为：55 A5 00 00 00 27 0F F0

采样通道如果是9226的第一通道，则设置为：55 A5 01 00 00 00 01 F0

采样通道如果是9226的第二通道，则设置为：55 A5 01 00 00 00 02 F0

这里对采样速率的设置做一个说明，这里是设置一个计数的值27 0F，而如果为0，采样和时钟保持一致50M时钟就是50M，设置计数值后就可以改变采样频率，设置为1就是25M。27 0F换算成十进制是9999，采样速率设置是5k，他们的关系如下：

设置计数值= Fclk/Fs - 1

Fs是期望的采样率，Fclk是系统时钟。

在此再次特别提醒：在引脚绑定的时候，我们要特别注意ACM9226模块的LSB引脚和MSB引脚，AD9226的12位输出数据接口中，bit11为 LSB、bit0为MSB。这与我们FPGA中对于多位宽信号的高低位的处理恰好相反，ACM9226模块对应的LSB是数据位最高位，而对应的MSB是数据位的最低位。如果在绑定引脚芯片的时候没有注意，则有可能会得到没有规律的输出数据。所以使用时，要么在分配引脚时直接调换过来，要么在程序中对所有位的高低位置进行调换，不然采集到的数据将无法进行准确分析。下图 2为AD9226数据接口引脚分配图。

图 2 AD9226数据接口引脚分配图

表 2 引脚分配表

Signial Name	Pin NO.	Signial Name	Pin NO.
Clk	PIN_E1	eth_gtxc	PIN_B14
ad_clk1	PIN_R1	eth_mdc	PIN_E11
ad_clk2	PIN_K5	eth_mdio	PIN_D12
ad_in1[11]	PIN_K6	eth_rst_n	PIN_D14
ad_in1[10]	PIN_L3	eth_rxc	PIN_M15
ad_in1[9]	PIN_L6	eth_rxd[3]	PIN_B13
ad_in1[8]	PIN_J1	eth_rxd[2]	PIN_A14
ad_in1[7]	PIN_J2	eth_rxd[1]	PIN_A13
ad_in1[6]	PIN_K1	eth_rxd[0]	PIN_E10
ad_in1[5]	PIN_K2	eth_rxdv	PIN_A15
ad_in1[4]	PIN_L1	eth_txd[3]	PIN_B11
ad_in1[3]	PIN_L2	eth_txd[2]	PIN_A12
ad_in1[2]	PIN_N1	eth_txd[1]	PIN_B12
ad_in1[1]	PIN_N2	eth_txd[0]	PIN_C11
ad_in1[0]	PIN_P2	eth_txen	PIN_C14
ad_in2[11]	PIN_B1	led	PIN_A2
ad_in2[10]	PIN_D3	reset_n	PIN_E16
ad_in2[9]	PIN_E5
ad_in2[8]	PIN_D1
ad_in2[7]	PIN_F1
ad_in2[6]	PIN_F5
ad_in2[5]	PIN_F2
ad_in2[4]	PIN_G2
ad_in2[3]	PIN_G1
ad_in2[2]	PIN_F3
ad_in2[1]	PIN_G5
ad_in2[0]	PIN_J6

基于PFGA开发板的功能测试

对系统功能设计完成并仿真验证通过之后，准备好硬件设施，连接好硬件，就可以对设计的工程进行板级验证测试实验功能。

系统所需硬件

1、 对应实验开发板。

2、 AD9226数据采集模块。

3、 电源线。

4、 程序下载线。

5、 网线。

6、 信号发生器。

硬件连接

根据前面的描述准备好硬件，我们可以进行连接：

1、 连接好ACM9226模块到开发板。

2、 信号发生器的输出端连接到ACM9226模块的通道输入端，可根据设置连接不同通道。

3、 连接好FPGA开发板网线。

4、 连接好开发板电源。

5、 连接好开发板下载器。

硬件连接完成后如下图 3 所示。在以上所有模块和线路连接好之后就可以打开开关，开始下载程序。

图 3硬件连接图

在信号发生器上设定好采样频率，可使用示波器对信号发生器输入的数据进行观察，确认输入数据是否正常，和采集的数据进行对比验证。

数据采集与分析

打开sscom5.13.1网口调试工具，依次设定好UDP端口，端口连接设置，然后打开网口。点击多字符串，点击勾选四个指令栏，填入指令：

采65536字节的数据，则设置为：55 A5 02 00 00 80 00 F0

采样通道为第一通道，则设置为：55 A5 01 00 00 00 01 F0

采样通道为第二通道，则设置为：55 A5 01 00 00 00 02 F0

采集测试用数据，通道则设置为：55 A5 01 00 00 00 00 F0

采样的速率为50M，指令设置为：55 A5 03 00 00 00 00 F0，

采样的速率为5k，指令设置为：55 A5 03 00 00 27 0F F0

采集使能指令帧设置为：55 A5 00 00 00 00 00 F0

清空计数器和接收区后，从上到下依次点击勾选的1，2，3，4条数据串发送按钮，数据设定完成后开始采集，网口调试助手设置界面如图 4 所示。

图 4 网口调试设置

通过调试窗口可以对采集的数据量和下发的指令是否匹配，对采集的数据做进一步的分析可以验证数据采集是否符合期望，可对采集数据利用MATLAB进行绘图分析。

通过网口调试助手可以判断采集的数据量是否准确，采样得到的数据是否是和信号发生器输出一致，仅凭人工，很难完成这个分析工作。因此我们需要借助matlab的绘制函数图形的功能。

图 6中可以看到，点击网口助手保存数据会产生两个数据文件，第一个是DAT格式的数据文件，第二个是文本格式的数据文件，读者可根据自身需求对不同格式的文件进行调用，本次实验调用的的是DAT格式的数据文件。采集数据文件路径都与安装的调试助手的路径有关，在网口调试窗口中点击数据保存时会有显示，下图显示的是sscom5.13.1网口调试工具安装于桌面的数据保存路径。

图 5 保存数据位置信息

文件为二进制格式DAT文件，调用时可复制文件到MATLAB安装路径下，这样修改文件名就可以进行图像绘制。DAT文件如图 6所示。

图 6 DAT文件

打开ADCdata_to_wave_v2_2.m，MATLAB采样结果数据处理函数如图 7所示。

图 7 MATLAB数据分析程序

打开matlab代码的工程文件，修改好文件路径，进行保存后点击运行就可以进行图形的绘制。在进行新一次的数据绘制分析前要关闭前一次的图形绘制窗口，否则会导致新数据的图形绘制无法加载。输出得到的波形如图 8，图为绘制采集的20kHz输入信号波形图。

图 8 绘制的数据波形图

这样，通过观察绘制的数据图形就可以对上板实验采集数据进行验证。通过分析，绘制数据与信号发生器和在示波器上显示的数据一致，数据采集无误，采集系统功能验证符合设计要求。

修订记录

V1.0	2021/012/16	首次发布