CN109188967A - 一种基于片上网络的任意波形发生系统及波形发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于片上网络的任意波形发生系统，该波形发生系统包括上位机和片上网络波形发生器模块；所述片上网络波形发生器模块包括片上网络通信架构模块、资源网络接口模块、波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点和波形设置资源节点；所述片上网络通信架构模块通过资源网络接口模块NI分别与波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点、波形设置资源节点相连接。所述以太网资源节点通过以太网资源网络接口接收来自PC上位机的数据或命令，或发送系统状态等信息到PC上位机。

Description

一种基于片上网络的任意波形发生系统及波形发生方法

技术领域

本发明涉及片上网络技术领域，具体涉及一种基于片上网络的任意波形发生系统及波形发生方法。

背景技术

任意波形发生器作为一种实用性的激励信号源，不仅能产生常规波形，而且可以产生各种调制信号，甚至输出不规则的任意波形。在现代电子系统中，经常需要各种波形的信号对电子仪器设备进行测试、测量、校准等，以期提高系统的可靠性，因此波形发生器在雷达、测控、导航、航空航天等领域具有重要的应用价值。随着科技的发展，自动测试系统越来越复杂，所需的激励信号越来越复杂，这对波形发生器提出了挑战。

传统的任意波形发生器(Aribitrarry Waveform Generator，AWG)通常采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)+DDR2SDRAM(同步动态SRAM)+数模转换器(Digital Analog Converter，DAC)方案实现。任意波形合成技术的核心是频率合成，早期的合成方式主要有锁相环、倍频和混频技术。目前基于直接数字合成方式(DirectDigital Synthesizer，DDS)技术的任意波形发生器能实现高稳定度、高精度、高分辨率的波形输出，具有低成本、低功耗、频率快速切换、相位连续、带宽较宽、波形灵活等优点，被广泛应用在仪器仪表、测控领域。

基于FPGA IP核的DDS实现方式灵活性大，可编程性强，且主流FPGA也能达到几百MHz频率，其内置存储器也为波形的存储设计提供了便利。

传统的任意波形发生器都是通过总线方式实现板级通信。常见的任意波形发生器总线类型有：AMBA总线，PCI总线、PXI总线、LXI总线等。全局同步型共享总线的通信结构受制于总线独占性和同步时钟的要求，存在通信效率较低，全局同步时钟开销较大等问题。由于芯片时钟频率、引脚数量和总线的驱动能力、存储深度、成本等的限制，常见商用或实验室原型机的任意波形发生器都是单或双通道；多通道时，电路设计的复杂度，通道间时钟延迟一致性，通过增加波形的存储深度来改善波形杂散度等都会增加系统实现的难度，系统模块化程度低，集成度低，可扩展性和可剪裁性不够。

随着系统性能需求越来越高，为了突破单片DAC数据转换速率、存储器对信号带宽的限制，提高存储深度，提高采样速率，降低成本，降低设计复杂度，提供具有较低延迟和高吞吐率服务，现有的以总线结构为通信基础的任意波形发生器面临着速度、效率和扩展性等方面的巨大挑战。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于片上网络的任意波形发生系统及波形发生方法，以解决现有技术中的任意波形发生器在速率、数据吞吐率、可扩展性等方面的不足的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于片上网络的任意波形发生系统，该波形发生系统包括上位机和片上网络波形发生器模块；所述片上网络波形发生器模块包括片上网络通信架构模块、资源网络接口模块、波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点和波形设置资源节点；所述片上网络通信架构模块通过资源网络接口模块NI分别与波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点、波形设置资源节点相连接。

所述以太网资源节点通过以太网资源网络接口接收来自PC上位机的数据或命令，或发送系统状态等数据到PC上位机。

所述以太网资源节点，对接收到的数据按UDP协议封装成数据帧，经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块将数据传送至各路由器或PC上位机；

所述片上网络通信架构模块，利用FPGA片内资源，实现由外部通道相互连接若干路由器构成路由器网络，所述路由器采用基于虚通道技术的虫洞数据交换机制，采用容错式的自适应X-Y路由算法，以数据路由和报文分组交换进行点对点数据传输；

所述波形输出资源节点，用于将波形数据转换成模拟信号并对模拟信号进行适当的调理和控制，以改善信号输出质量，提高节点波形输出能力；

所述NIOS II软核，作为波形发生系统控制的中心，接收PC上位机设置或读取的相关波形参数信息；或将当前系统状态信息通过以太网资源节点传输至PC上位机；或接收来自于波形设置资源节点的相关波形参数信息；将接收到的信息经解析，判断数据类型后，根据命令和参数将系统波形控制信息传输至其他资源节点；

所述存储器资源节点，存储与波形相关的数据参数和命令或系统状态信息；

所述波形设置资源节点，通过人机交互界面设置波形的参数如幅度、频率、相位、谐波、调制方式等信息。

优选地，所述波形输出资源节点包括：

DAC数模转换模块，通过DAC资源网络接口与片上网络通信架构模块连接，用于将波形数据转换成模拟信号；

信号调理电路模块，包括依次连接的差分定值放大模块、程控放大模块、差分转单端模块和滤波输出模块，所述差分定值放大模块用于对模拟信号进行差分放大；所述程控放大模块用于对幅度段进行粗调划分；所述差分转单端模块用于消除信号中的直流分量和共模干扰噪声。

优选地，在相邻的两个粗调幅度段，低段位的最大幅度值应该稍大于高段位的最小幅度值。

优选地，所述以太网资源节点包括以太网资源网络接口模块和以太网控制模块，所述以太网资源网络模块接口用于查询路由器资源网络接口，对数据进行解包、组包、向以太网模块提交数据；所述以太网控制模块用于设置相应的MAC地址、源IP地址和目的IP地址。

优选地，波形合成包括直接数字波形合成和直接数字频率合成。

优选地，所述存储器资源节点采用SDRAM存储器实现。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种产生波形的方法，该方法为：

由PC上位机的人机交互界面或波形资源节点的波形设置交互界面设置或读取波形发生系统所需的波形信息相关命令和数据，启动波形产生命令；PC机通过以太网资源节点的以太网资源网络接口模块传输信息；波形设置交互界面通过波形设置网络接口传输信息；

以太网资源节点对接收到的数据按UDP协议封装成数据帧，根据路由信息经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块和三速以太网接口将数据传送至各对应路由网络节点或PC上位机；

各路由网络节点根据数据帧中源地址、目的地址、数据包长度等信息按照路由协议和容错式自适应X-Y维序算法解析数据帧，实现路由数据的存储与转发；

数据到达目的路由器后会缓存到路由器资源网络接口中，由目的路由器对应的相关资源节点发出读写数据申请，从该资源网络接口接收数据包，对数据包进行解析后交由该资源节点对应的后续模块处理；

存储器资源节点的路由器本地端口接收由NIOS II软核发送的波形信息如地址、数据、控制等数据包，并对地址进行译码，判断数据类型后，将波形信息写入缓存FIFO，地址信息写入指令存储器，经缓存FIFO后，将待合成波形的采样值和控制信息经数据链路配合SDRAM存储器控制接口写入到SDRAM存储器中；

根据NIOS II软核发送的波形命令控制信息，按照系统时钟频率以DDS波形合成模块中相位累加器模块的累加结果或地址发生器的输出作为SDRAM存储器的寻址地址，将SDRAM存储器中的待合成波形的采样点送至波形输出资源节点；从SDRAM中读取波形数据信息，经缓存FIFO后在时钟驱动下高速输出，送往波形输出资源节点中的后续信号调理电路模块进行处理；

波形输出资源节点解析数据帧，经DAC数模转模块转换成模拟信号，后再经差分定值放大，差分程控放大滤波，差分转单端信号，信号滤波，最后控制由对应通道输出。

实现各通道波形数据同相位需保证各通道数据时钟(用于同步数据产生)同相位，以及触发信号(用于启动数据源模块工作)同相位，各资源节点之间实现时钟同步。为保证实现系统内通道间的同步和系统间通道的同步，根据路由网络结构的特点，支持的触发源有外部触发、内部触发、LXI总线触发(IEEE 1588定时触发和硬件总线触发)；触发方式有：边沿触发、电平触发、软件触发。

如上所述，本发明的一种基于片上网络的任意波形发生系统及方法，具有以下有益效果：

1、本发明将片上网络的思想引入波形发生器领域，构建基于2D-Mesh拓扑结构的片上网络通信架构，采用容错式的自适应X-Y路由算法，以路由器网络为架构建立数据链路机制，以数据路由和报文分组交换进行点对点数据传输，克服传统独占性总线型芯片引起的通信约束，因此系统平台具有延时短、功耗低、网络化、可并行处理等优点。

2、所有资源节点采用模块化设计，因此该系统具有良好的可扩展性、可移植性、可重用性。NoC系统采用分布式拓扑结构，资源节点和路由节点相互独立，每一个资源节点与NoC处理器核之间都通过标准的网络接口路由器接入网络进行通信。基于NoC拓扑规则化的特征，该发明理论上可以集成的信号输出通道资源节点数目和存储深度均不受限制；使得资源所占带宽不会随着网络扩展而下降，从而使系统集成度更高，提升系统的整体性能。片上网络作为一个独立的片上互连结构，能够满足不同系统的不同应用需求，当网络中节点数量增加时，仅需要按照相应的拓扑结构规则继续增大网络的规模即可，缩短了产品的设计周期，节约了设计成本。因此基于NoC平台的系统具有良好的可剪裁性、功能多样性、资源节点的复用性，拓展了平台的适用场合和应用能力。

3、以路由器网络为数据链路通信机制的各波形发生器模块之间具有良好的并行通信能力，提高了数据传输速率，提高了并发性。NoC采用分布式计算，分布式存储和分布式控制技术，网络中的多个资源节点可以同时利用网络中的不同物理链路进行信息交换，支持多个IP核并发地进行数据通信；摆脱总线型系统串行访问总线的限制，非阻塞式分组交换可有效利用传输链路高带宽的特性。

4、基于片上网络通信架构的各波形发生器模块之间使用全局异步局部同步时钟机制(Globally Asynchronous Locally Synchronous，GALS)，免除了全局时钟的控制，采用异步流水线的方式进行数据传输，降低了时序复杂度，减少功耗，克服了总线结构在速度、功耗、驱动能力上的局限性。路由网络与资源节点之间使用异步通信，每一个资源节点工作在自己的时间域，不同的资源节点通过路由节点进行异步通讯，很好的解决了单一时钟问题；避免了总线结构的全局同步时钟策略。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1为基于片上网络的任意波形发生系统器原理框图；

图2为基于片上网络的任意波形发生系统功能结构框图

图3为波形输出资源节点原理框图；

图4为以太网资源节点框图；

图5为任意波形发生系统波形产生框图；

图6为基于片上网络的人机交互框图；

图7为基于片上网络的路由器结构图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1是基于片上网络的任意波形发生器系统实施例结构示意图。其中，图中R代表路由器节点，NI代表资源网络接口，其他IP均代表资源节点。其中图例所示由四个波形输出资源节点，说明该示意图是4通道波形发生器，具备4路DAC数据转换与信号调理电路模块；随着网络资源节点的增加，通道数理论上不受限制；FPGA资源节点完成DDS模块、缓存FIFO模块、片上网络通信架构、NIOS II软核等；波形设置资源节点通过按键或旋钮设置，或通过USB3.0接口读取特定格式的波形信息文件完成拟输出波形信息参数设置及当前设置状态的显示；存储器资源节点由SDRAM实现，用以提高存储深度，提高系统采样速率；以太网资源节点实现系统与PC机的通信，上位机完成任意波形的参数设置与绘制，常规波形参数的设置，当前系统状态信息的显示等功能。

如图1，本发明提供一种基于片上网络的任意波形发生系统，该波形发生系统包括上位机和片上网络波形发生器模块；所述片上网络波形发生器模块包括片上网络通信架构模块、资源网络接口模块、波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点和波形设置资源节点；所述片上网络通信架构模块通过资源网络接口模块NI分别与波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点、波形设置资源节点相连接。所述以太网资源节点通过以太网资源网络接口接收来自PC上位机的数据或命令，或发送系统状态等数据到PC上位机。

片上网络通信架构为基于2D-Mesh拓扑结构构建的网络通信构架。该通信构架基于FPGA芯片，由外部通道相互连接若干路由器构成的路由器网络，其结构为规则的2维Mesh拓扑结构。片上网络中的路由器采用基于虚通道技术的虫洞数据交换机制，采用容错式的自适应X-Y路由算法，以数据路由和报文分组交换进行点对点数据传输。

资源网络接口主要功能是完成波形设置资源节点、存储器资源节点、以太网资源节点、波形输出资源节点等网络节点与路由器之间的数据传输、校验与组包，主动查询本地路由端口的状态，响应路由器本地端口的读写数据包的请求等，是连接路由器和各类资源网络节点的桥梁。

图2是基于片上网络的任意波形发生系统各资源节点主要功能结构框图。其中图例所示由n个波形输出资源节点，说明该示意图是n通道波形发生器，具备n路DAC数据转换与信号调理电路模块；FPGA资源节点完成DDS模块、缓存FIFO模块、片上网络通信架构、NIOSII软核等；波形设置资源节点通过DSP外接按键或旋钮及显示装置，USB3.0通信接口，通过USB接口读取特定格式的波形信息文件或按键完成拟输出波形信息参数设置及当前设置状态的显示；存储器资源节点由SDRAM实现，用以提高存储深度，提高系统采样速率；以太网资源节点通过以太网资源网络接口实现片上网络系统与PC机的通信，上位机完成任意波形的参数设置与绘制，常规波形参数的设置，当前系统状态信息的显示等功能。

图3是波形输出资源节点的实施例结构示意图。波形输出资源节点主要包括DAC数模转换模块和信号调理电路模块。DAC数模转换模块，用于将波形数据转换成模拟信号。信号调理电路模块，包括依次连接的差分定值放大模块、程控放大、差分转单端模块和滤波输出模块。针对不同的信号类型可以设置额外的小信号处理电路模块、放大衰减、偏置电路模块。

图中，DAC资源网络接口通过路由器实现和NoC平台包括DAC数模转换数据、控制命令、参数配置、同步信息等的通信。DAC输出信号经过差分定值放大后滤除其中直流分量和高频杂散信号，便于实现幅度控制。为了实现幅度可调，需设计程控放大电路，完成对幅度段的粗调划分。幅度调节主要包括对信号的放大和衰减两部分。为了使得模拟通道可以输出标称的所有幅度值，粗调划分要有一定的幅度重叠。所谓的幅度重叠是指在相邻的两个粗调幅度段，低段位的最大幅度值应该稍大于高段位的最小幅度值，防止幅度指标内丢失部分幅度。为了做好阻抗匹配，衰减电路后设计偏移叠加电路。差分转单端电路可以消除信号中的直流分量和共模干扰噪声，方便后级电路的处理。

滤波输出模块是任意波形发生系统模拟通道中必不可少的一部分，其性能关系着信号的输出质量。滤波器参数设计需要考虑：(1)DDS输出波形的频谱结构，(2)滤波器的通频带和输出特性；(3)波形发生系统的技术指标。正弦波频谱特性单一，通常采用椭圆滤波器改善正弦波信号；非正选信号的频谱特性较为复杂，对时延要求较高，故采用贝塞尔滤波器改善非正弦信号的幅频曲线。必要时在信号的输出端增加补偿网络，以改善频带内滤波后信号幅度的平坦度。

其中因为方波信号的谐波成分较多，所以方波的产生可通过固定正弦波输入信号与可调电平进行比较来获得，以扩展方波信号输出的频率范围。为方便占空比的调节，其输入的正弦波信号的幅度应该是固定的。

图4是以太网资源节点实施例结构示意图。以太网资源节点主要采用Verilog HDL硬件编程语言实现，主要由以太网资源网络接口和以太网模块组成。以太网资源网络接口作为连接上网络通信架构模块和以太网模块的桥梁，按UDP协议封装成数据帧，经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块和三速以太网接口将数据传送给人机交互界面或各路由模块。其主要作用是完成以太网资源节点与片上网络通信的分离，使得资源节点不受通信网络的构架限制，提高设计的重用性。基于UDP协议的以太网模块旨在利用较少的片上资源实现基本的以太网通信。

帧同步模块主要完成帧界定、位同步、透明传输等功能；差错控制模块实现检错和重传的差错控制机制；流量控制模块限制发送方的数据流量，防止数据包丢失现象。

以太网资源节点包括以太网资源网络模块接口和以太网控制模块。以太网资源网络接口主要作用是查询路由器资源网络接口，对数据进行解包、组包、向以太网模块提交数据，是连接路由器和以太网模块的桥梁。

以太网控制模块主要是指由硬件构成的千兆以太网模块设置相应的MAC地址、源IP地址、目的IP地址等。

图5为任意波形发生器系统波形产生框图。本发明是采用DDFS和DDWS两种波形产生方式相结合的波形合成方案，原理框图如图5所示。

NIOSⅡ软核主要功能是根据接收波形设置资源节点或以太网资源节点传输的相关波形参数信息和控制信息，利用内部的DDS波形合成模块实现波形控制信息的输出。

波形合成模块采用FPGA IP核实现。DDS技术分为：直接数字波形合成(DirectDigitalWaveform Synthesis，DDWS)和直接数字频率合成(Direct Digital FrequencySynthesis，DDFS)。DDWS的工作模式是逐点地读出波形存储器中的幅度值，不会造成波形数据的丢失，从而减少波形细节的遗失，能真实无失真地还原波形的细节，合成的波形信号稳定度高，不存在截断误差，因此DDWS适合于任意波形的合成。与DDWS逐点式读取波形数据不同，DDFS采用抽点式读取波形数据，采用固定采样时钟和相位累加器，不能完整重现波形细节。基于DDWS结构和DDFS结构各有千秋，于本实施例中，采用DDWS结构与DDFS结构相结合的方式，普通波形采用DDFS结构实现，而任意波形则通过DDWS结构实现。基于FPGA IP核的DDS波形合成技术实现方式灵活，可编程性强，可按需分配内部存储器并修改波形数据，开发工具成熟。

传统的DDWS主要由地址发生器，波形存储器，数模转换器，可变时钟发生器和低通滤波器组成；传统的DDFS主要有相位累加器、固定时钟发生源、波形存储器、数模转换器和低通滤波器等组成。

由图可知，总体的波形合成方案可以工作在DDWS和DDFS两种工作模式，其主要组成部分包括DDWS地址发生器模块、DDFS相位累加器模块、开关电路模块、波形查找表模块。波形信息产生和输出过程分为两种：第一种是开关电路根据拟产生的波形类型接通DDWS地址发生器或DDFS相位累加器，波形查找表根据地址输出相应的波形数据经过路由器网络和DAC资源网络接口传输到波形输出资源节点转换成相应的模拟波形；第二种是开关电路输出的地址信息经本地资源网络接口、路由器网络传输至存储器资源节点，在存储器控制接口模块控制下根据地址信息输出对应的波形信息，再经路由器网络传输至波形输出资源节点，实现模拟波形的输出。

存储器资源节点采用SDRAM实现。SDRAM存储控制器采用FPGA IP核实现，该SDRAM控制器包括三个层次：用户接口层、存储控制层、物理层。其中物理层负责收发内存数据，对读写数据信号完整性进行校验和调整，以满足时序要求。存储控制层负责解析用户当前命令，保证存取操作的正确性。用户接口层负责接收用户产生的逻辑命令和数据。根据用户设定的采样频率、信号时域特征、信号带宽、波形参数等，用信号波形公式计算出所需波形各点幅度值，经量化后，按合成采样顺序预先存入存储器中。所以SDRAM存储器中预存着常规信号和交互界面下发的任意信号波形数据信息。

图6为基于片上网络的任意波形发生器实施例交互界面框图。

人机交互包括通过以太网资源节点实现的PC机人机交互界面和通过波形设置资源节点实现的波形设置交互界面。。

PC机人机交互界面由LabWindows/CVI或Labview编程实现，该软件界面风格良好，可以通过应用程序面板选择各种常规波形，也可以手动绘制任意波形文件或者从PC机读取任意波形文件，通过设置波形参数，下发命令和数据，自动控制硬件系统产生相应波形。

波形设置交互界面由DSP外接按键、拨码开关、旋钮、显示屏实现波形信息的设置；也可以通过USB3.0接口读取外部波形信息文件，实现波形信息的参数设置，并通过资源网络接口实现数据下发。

人机交互主要完成用户与设备之间的信息交互，而显示屏作为人机交互模块的主要设备，将当前设备的基本状态信息显示出来，以供用户获取波形发生器当前的输出以及系统配置状态。基本的输出信息包括波形发生器输出信号的频率、相位、幅度等信息。系统配置状态包括系统工作模式及各主要单元的电压、电流等信息。

图7为基于片上网络路由器实施例结构示意图。一个完整的路由节点应该包括输入端口、输出端口、路由表、缓存FIFO、仲裁器等部分。对于路由节点结构来说，其标准形式由5个输入和输出接口，分别代表东、南、西、北和本地5个方向。本地方向与本地的IP通过资源接口相连接，每一个输入口可以通过其他4个非本方向的输出口请求输出数据。缓冲器在传输中存储先进先出的信息，与输入输出物理通道相连接；高速路由器采用全交叉链接网络，如果有多个消息同时请求相同的输出链路，则必须在它们之间做出仲裁；若链接是忙碌的，传入的信息将保留在输入缓冲区中；若信息被成功地仲裁到此链路，并且此链路是空闲的，那么信息将被重新路由。

从任意波形发生系统的结构框图来看，波形发生系统工作时，用户可以根据自己的需要通过上位机(PC机)界面来设置常规波形及调制波形，或编辑任何自己定义的波形，或通过DSP接口的人机交互界面设置或读取波形参数信息。总之根据界面参数设置，先生成波形相关数据参数和命令，然后通过资源网络接口、片上网络路由器将波形信息或需要预先写入的波形数据信息写入存储器资源节点的SDRAM存储器中。根据交互界面设置的拟产生波形参数信息和命令，将相应的频率值、相移值等信息写入FPGA NIOS II资源节点的DDS波形合成模块的控制器中，并将调制方式、低通滤波器参数、放大衰减、电平调节命令也写到NIOSII资源节点中，然后由FPGA中的DDS波形合成模块在时钟信号的控制下输出合成所需地址信号和控制信息。片上网络通信架构在时钟信号和命令控制下，通过存储资源接口对SDRAM存储器的读写控制，通过DAC资源接口对DAC转换器进行初始化设置，然后根据时钟和地址信号将波形数据从存储器资源网络节点的SDRAM存储器中逐点读出，经由DAC资源接口送入波形输出资源节点的DAC数模转换模块中，将量化后的离散幅度值输出转换为模拟波形，然后在DAC资源网络接口控制下经滤波、放大衰减、偏置控制等步骤生成相应的模拟信号波形。

在2D Mesh结构下，路由器选择自适应的X-Y维序路由。路由器的主要功能是根据源节点数据发送端和目的节点数据接收端的地址信息，按照一定的路由算法选择最佳的路径，实现数据通信。路由器中的路由计算模块，在链路通畅时采用X-Y维序路由算法，在数据拥塞时，采用容错路由算法，计算出另一条可用路径；通过交叉开关分配路径为数据选择输出端口。

多通道的基于片上网络的任意波形发生系统也存在常规系统的通道间输出信号同步需求。根据波形发生系统内部实现原理和物理结构上的不同，通道同步分为系统内通道同步和系统间通道同步两种情况。系统内同步是同一模块或仪器的多通道间的同步，通过各通道使用同一采样时钟、触发信号、合理的电路板布局布线和精密延时电路来实现；系统间同步是不同模块或仪器的通道间的同步，这种情况下的同步必须依赖来自外部的参考时钟或采样时钟。

由DDS工作原理可知，通道间输出信号同步的关键：(1)各通道数模转换时刻相同，即各通道DAC采样时钟同相位；(2)各通道DAC输入数据相同，即各通道数据源输出的波形数据同步。实现条件(1)只需要保证各通道使用同一个时钟源或触发时刻一致，且时钟源到各ADC的路径长度、阻抗大小等条件均相同。实现条件(2)首先各通道相位累加器的初始值必须相同，以保证初始寻址地址相同；其次各通道数据源必须在同一时刻开始工作。又因为系统采用基于路由器网络来实现资源节点间的通信。因此，实现资源节点间的同步可以通过网络协议来实现高精度的时钟同步。总之，实现各通道波形数据同相位需保证各通道数据时钟(用于同步数据产生)同相位，以及触发信号(用于启动数据源模块工作)同相位，各资源节点之间实现时钟同步。

各波形发生系统产生同步输出信号时可工作于并行模式，使用统一的外部时钟或外部触发信号同步；也可工作于主从模式，使用主模块的采样时钟或触发信号同步。多个通道同步的关键在于参考时钟、采样时钟和触发信号的控制与分配。参考时钟可以由本地高精度晶体振荡器产生，也可由外部信号源输入，还支持作为其它系统的参考时钟输出。采样时钟可由本地时钟合成电路产生，也可由外部信号源提供，同时支持作为外部信号源的采样时钟输出。这种设计在外部能提供比本地更高精确度的参考时钟或采样时钟时有利于提高输出信号的频率精度。同时时钟电路将外部输入的时钟进行限幅、整形和增强驱动操作。因此本发明中参考时钟、采样时钟可以是内部产生或外部输入，同时参考时钟、采样时钟能输出供其它仪器的使用。

多通道同步波形发生系统要求在通道间提供严格的定时与同步控制。同步即在多通道同步信号产生、采集应用中要求在通道间提供严格的定时与同步控制，建立准确的同步采样启动机制，实现多个通道间采样时钟的对准以及多路采样的同步触发。

为实现波形数据的同步，必须保证分频所得的数据时钟同相位。因此各通道可使用由同一个分频器产生的数据时钟，或对多个分频器输出的多个数据时钟进行鉴相，然后根据鉴相结果重新复位分频器，直到同相位为止。

精密测量过程中需要多路具有精密相位控制的波形信号，需要波形发生系统能够实现较高的相位分辨率，并且能够通过系统并行或级联多路具有精密相位差的波形信号。系统采用闭环相位实时补偿方法实现输出波形之间的精密相位控制，并通过外部时钟同步触发模块实现系统间的并行输出，拓展输出通道。

即使通道间数据时钟的相位差很微小，但是由于触发信号相位的随机性，相位累加器开始累加时刻具有随机性，因此无法在同一时刻从相位查找表中取回相同的波形幅值送入DAC进行数模转换。系统可利用触发信号的下降沿经过数据时钟下降沿锁存后，与所选择数据时钟下降沿对齐，或略微滞后于该数据时钟下降沿，保证相位累加器初始状态及启动时刻相同，实现输出数据同相位。

波形发生系统支持的触发源有外部触发、内部触发、LXI总线触发(IEEE 1588定时触发和硬件总线触发)；触发方式有：边沿触发、电平触发、软件触发。其中LXI-A类触发和内部触发由用户设置，通过LXI控制器后，经过LXI接口电路发送到数字电路DDS，产生清零信号，达到对DDS的触发作用；外部触发信号不经过LXI控制器，单独设计接收电路。触发选择电路是在FPGA内部编程实现，用于选择外部触发，内部触发以及LXI触发中的一种。所有的设备都需要一个共同的参考信号来实现同步。主设备产生这个同步输出信号，然后分配给所有的设备(需要严格对齐时间)，作为一个同步输入信号。设备间的同步信号需要LXI提供DAC采样时钟和同步时钟信号。设备间实现共同的采样时刻、通道延时和一致的数据速率，才保证设备间的同步性。

本发明的基于片上网络的任意波形发生系统在数据采样速率、存储深度、可扩展性、可移植性方面具有一定的优势，提供高速、高效的数据传输服务并且不需要额外的增加面积开销。

本发明为基于片上网络的任意波形发生系统。该设计具有功能丰富，电路模块化，可扩展性、可移植性，数据传输速率高，有效的利用了传输链路高带宽的特性，拓展了平台的适用场合和应用能力。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

本发明公开了一种基于片上网络的任意波形发生系统，旨在提供一种高采样速率、高数据传输效率、可扩展性强、功能多样性，电路模块化设计、可移植性好，有效利用高传输链路带宽的波形发生器系统。该方法理论上可以集成的信号通道资源节点数目和存储深度均不受限制，具有良好的可剪裁性、资源节点兼容性和复用性，低功耗等特点。

本发明采用基于NoC架构的任意波形发生器，能提供高速、高效的数据传输服务，并且系统时序复杂度降低，集成度高、不需要额外的增加面积开销，拓展了波形发生器的适用场合和应用能力。

本发明还提供一种基于片上网络(NoC)的任意波形发生方法，该方法具体为：

由PC上位机的人机交互界面或波形资源节点的波形设置交互界面设置或读取波形发生系统所需的波形信息相关命令和数据，启动波形产生命令；PC机通过以太网资源节点的以太网资源网络接口模块传输数据；波形设置交互界面通过波形设置网络接口传输数据。

以太网资源节点或波形设置资源节点对接收到的数据按UDP协议封装成数据帧，根据路由信息经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块和三速以太网接口将数据传送至各对应路由网络节点或PC上位机。

在2D Mesh结构下，路由器选择自适应的X-Y维序路由。路由器的主要功能是根据源节点数据发送端和目的节点数据接收端的地址信息，按照一定的路由算法选择最佳的路径，实现数据通信。路由器中的路由计算模块，在链路通畅时采用X-Y维序路由算法，在数据拥塞时，采用容错路由算法，计算出另一条可用路径；通过交叉开关分配路径为数据选择输出端口。

各路由网络节点根据数据帧中源地址、目的地址、数据包长度等信息按照路由协议和容错式自适应X-Y维序算法解析数据帧，实现路由数据的存储与转发。

数据到达目的路由器后会缓存到路由器资源网络接口中，由目的路由器对应的相关资源节点发出读写数据申请，从该资源网络接口接收数据包，对数据包进行解析后交由该资源节点对应的后续模块处理。

存储器资源节点的路由器本地端口接收由NIOS II软核发送的波形信息如地址、数据、控制等数据包，并对地址进行译码，判断数据类型后，将波形信息写入缓存FIFO，地址信息写入指令存储器，经缓存FIFO后，将待合成波形的采样值和控制信息经数据链路配合SDRAM存储器控制接口写入到SDRAM存储器中。

总之根据界面参数设置，先生成波形相关数据参数和命令，然后通过资源网络接口、片上网络路由器将波形信息或需要预先写入的波形数据信息写入存储器资源节点的SDRAM存储器中。

波形发生时，根据交互界面设置的拟产生波形参数信息和命令，将相应的频率值、相移值等信息写入FPGA NIOS II资源节点的DDS波形合成模块的控制器中，并将调制方式、低通滤波器参数、放大衰减、电平调节命令也写到NIOS II资源节点中，然后由FPGA中的DDS波形合成模块在时钟信号的控制下输出合成所需地址信号和控制信息。

根据NIOS II软核发送的波形命令控制信息，按照系统时钟频率以DDS波形合成模块中相位累加器模块的累加结果或地址发生器的输出作为SDRAM存储器的寻址地址。片上网络通信架构在时钟信号和命令控制下，通过存储资源接口对SDRAM存储器的读写控制，通过DAC资源接口对DAC转换器进行初始化设置，然后根据时钟信号将波形数据从存储器资源网络节点的SDRAM存储器中逐点读出，经缓存FIFO后在时钟驱动下高速输出，送往波形输出资源节点中的DAC资源接口。经由DAC资源接口送入波形输出资源节点的DAC数模转换模块中，将量化后的离散幅度值输出转换为模拟波形，然后在DAC资源网络接口控制下经滤波、放大衰减、偏置控制等步骤生成相应的模拟信号波形。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，该波形发生系统包括上位机和片上网络波形发生器模块；所述片上网络波形发生器模块包括片上网络通信架构模块、资源网络接口模块NI、波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点和波形设置资源节点和PC机；所述片上网络通信架构模块通过资源网络接口模块NI分别与波形输出资源节点、以太网资源节点、NIOS II软核、存储器资源节点、波形设置资源节点相连接，所棕以太网资源节点通过片上网络通信架构模块与PC上位机连接；

所述片上网络通信架构模块，实现由外部通道相互连接若干路由器构成路由器网络，所述路由器采用基于虚通道技术的虫洞数据交换机制，采用容错式的自适应X-Y路由算法，以数据路由和报文分组交换进行点对点数据传输；

所述以太网资源节点通过以太网资源网络接口NI接收来自PC上位机的数据或命令，或发送系统状态数据到PC上位机；

所述以太网资源节点，对接收到的数据按UDP协议封装成数据帧，经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块将数据传送至各路由器或PC上位机；

所述波形输出资源节点，用于将波形数据转换成模拟信号并对模拟信号进行适当的调理和控制；

所述NIOS II软核，接收PC上位机设置或读取的相关波形参数信息；或将当前系统状态信息通过以太网资源节点传输至PC上位机；或接收来自于波形设置资源节点的相关波形参数信息；将接收到的信息解析，判断数据类型后，根据命令和参数将系统波形控制信息传输至其他资源节点；

所述存储器资源节点，存储与波形相关的数据参数和命令或系统状态信息；

所述波形设置资源节点，通过人机交互界面对波形参数进行设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，所述波形输出资源节点包括：

DAC数模转换模块，通过资源网络接口与片上网络通信架构模块连接，用于将波形数据转换成模拟信号；

信号调理电路模块，包括依次连接的差分定值放大模块、程控放大模块、差分转单端模块和模拟波形输出通道模块，所述差分定值放大模块用于对模拟信号进行差分放大；所述程控放大模块用于对幅度段进行粗调划分；所述差分转单端模块用于消除信号中的直流分量和共模干扰噪声；所述模拟波形输出通道模块出波形信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，在相邻的两个粗调幅度段，低段位的最大幅度值应该大于高段位的最小幅度值。

4.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，所述以太网资源节点包括以太网资源网络模块接口和以太网控制模块，所述以太网资源网络模块接口用于查询路由器资源网络接口，对数据进行解包、组包、向以太网模块或路由网络模块提交数据；所述以太网控制模块用于设置相应的MAC地址、源IP地址和目的IP地址。

5.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，波形合成包括直接数字波形合成和直接数字频率合成。

6.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的任意波形发生系统，其特征在于，所述存储器资源节点采用SDRAM存储器实现。

7.利用权利要求1～6任意一项所述的波形发生系统产生波形的方法，其特征在于，该方法为：

由PC上位机的人机交互界面或波形资源节点的波形设置交互界面设置或读取波形发生系统所需的波形信息相关命令和数据，启动波形产生命令；PC上位机通过以太网资源节点的以太网资源网络接口模块传输数据；波形设置交互界面通过波形设置网络接口传输数据；

以太网资源节点对接收到的数据按UDP协议封装成数据帧，根据路由信息经由帧同步模块、差错控制模块、流量控制模块和三速以太网接口将数据传送至各对应路由网络节点或PC上位机；

各路由网络节点根据数据帧中源地址、目的地址、数据包长度信息按照路由协议和容错式自适应X-Y维序算法解析数据帧，实现路由数据的存储与转发；

数据到达目的路由器后会缓存到路由器资源网络接口中，由目的路由器对应的相关资源节点发出读写数据申请，从该资源网络接口接收数据包，对数据包进行解析后交由该资源节点对应的后续模块处理；

存储器资源节点的路由器本地端口接收由NIOS II软核发送的波形信息并对波形信息中的地址信息进行译码，判断数据类型后，将波形信息写入缓存FIFO，地址信息写入指令存储器，经缓存FIFO后，将待合成波形的采样值和控制信息经数据链路配合SDRAM存储器控制接口写入到SDRAM存储器中；

根据NIOS II软核发送的波形命令控制信息，按照系统时钟频率以DDS波形合成模块中相位累加器模块的累加结果或地址发生器的输出作为SDRAM存储器的寻址地址，将SDRAM存储器中的待合成波形的采样点经缓存FIFO后在时钟驱动下高速输出，送往波形输出资源节点；

波形输出资源节点解析数据帧，经DAC数模转模块转换成模拟信号，后再经差分定值放大，差分程控放大滤波，差分转单端信号，信号滤波，最后控制由对应通道输出。