【实验指导手册】AC108_AD9226_RGMII千兆以太网数据采集系统
# [基于FPGA的Ad9226数据采集系统设计与验证]|工程源码 ||----设计实例|--------AC108_AD9226_RGMII.zip| 设计文件附在帖子最后
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|本实验对各开发板支持情况|
|开发板型号 |AC108|
文档所涉及文件说明
本次实验配套的文件压缩包名为AC108_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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164008fmisaoju2s7yorsr.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "1.png")
图 1项目文件
1、AC108_AD9226_RGMII.zip：基于AC108开发板（Cyclone 10LP E FPGA）QUARTUS II 17.1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 10LP 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（后期可开发对应PC上位机）。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 | data | data | data | 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：
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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164505dq321akatutl31vb.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "2.png")
图 2AD9226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_E15 | eth_gtxc | PIN_T12 |
| ad_clk1 | PIN_T2| eth_mdc | PIN_P15 |
| ad_clk2 | PIN_N9| eth_mdio | PIN_R16 |
| ad_in1 | PIN_M10 | eth_rst_n | PIN_P16 |
| ad_in1 | PIN_J1| eth_rxc | PIN_T9|
| ad_in1 | PIN_J2| eth_rxd | PIN_R12 |
| ad_in1 | PIN_K1| eth_rxd | PIN_T11 |
| ad_in1 | PIN_K2| eth_rxd | PIN_R11 |
| ad_in1 | PIN_L1| eth_rxd | PIN_T10 |
| ad_in1 | PIN_L2| eth_rxdv | PIN_R10 |
| ad_in1 | PIN_N1| eth_txd | PIN_T15 |
| ad_in1 | PIN_N2| eth_txd | PIN_T14 |
| ad_in1 | PIN_P1| eth_txd | PIN_R14 |
| ad_in1 | PIN_P2| eth_txd | PIN_T13 |
| ad_in1 | PIN_R1| eth_txen | PIN_R13 |
| ad_in2 | PIN_M6| led | PIN_N16 |
| ad_in2 | PIN_N3| reset_n | PIN_M15 |
| ad_in2 | PIN_N5| | |
| ad_in2 | PIN_P3| | |
| ad_in2 | PIN_L7| | |
| ad_in2 | PIN_N6| | |
| ad_in2 | PIN_P6| | |
| ad_in2 | PIN_M7| | |
| ad_in2 | PIN_M8| | |
| ad_in2 | PIN_P8| | |
| ad_in2 | PIN_N8| | |
| ad_in2 | PIN_L8| | |
## 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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164526u16w8zsykhf86ip9.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "3.png")
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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164609wssttccz1ttbbtbb.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "4.png")
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。
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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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164808naj6guwj2zk9zz6w.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "6.png")
图 6DAT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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164823sw3gvv2u9bbgn3tx.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "7.png")
图 7MATLAB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。
!(data/attachment/forum/202203/28/164837it8eex5e8je59od2.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/300 "8.png")
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 |
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