多通道高速脉冲发生器

项目简介

起初是用来内部测试用的机器,后来索性直接开源了.
本设计是一款基于FPGA和STM32双核架构的高速脉冲发生器，专为多通道同步触发和高速脉冲生成需求设计。

项目功能

多通道脉冲生成：支持至少16通道独立/同步输出 ，脉冲宽度、频率、延时参数可编程，分辨率达纳秒级。

时钟自校准：通过辅助信号可以进行高精度时钟校准

通信：支持Console命令控制，SCPI控制，既可以直接使用串口命令行交互,也可以直接使用配套上位机交互.

项目参数

• 采用FPGA+STM32双核架构
• 输出通道:32通道高精度脉冲
• 高精度脉冲:
  • 脉冲重复频率:0.5Hz - 50MHz*
  • 输出脉冲重复频率:100Hz - 10MHz
  • 通道延迟时间:500ps - 1/f
  • 理论脉宽: 0* - 1/f
  • 输出脉宽: 20ns - 1/f
  • 时间精度: 500ps(理论值)
• 输出电压: 3.3V LVCMOS
• 工作电压: 12V
• 功耗: 12W
• 4L单面器件PCB,大幅降低成本

*:理论值,实际受到IO限制

接口列表

红框(网口旁边那个)是单片机的BOOT设置,记得找个跳线插上去

原理解析（硬件说明）

代码见附件(包括HDL和C)

本项目的核心是一个超高精度和时基的定时器.诚然有许多种不同的方法可以产生精度更好的脉冲,但本设计的限制(需要多通道合成)导致无法使用其他方法实现,便采用这种笨方法实现脉冲了.

每个脉冲通道原理是使用多个并行比较器合成,而后使用oserdes输出脉冲信号.理论上可以使用GT输出更高频率的脉冲,但是我没做,而是使用了SelectIO实现.本设计使用8个子定时器,这样脉冲输出速度可以达到子定时器的八倍.
根据不同的FPGA,可以实例化16个或者32个通道(这玩意很吃资源和P&R,虽然一个通道只需要1000个CLB,但是极占布线资源.因此35t只建议实现16通道,而100t建议实现32通道.
上文的定时器位宽都是32位,若你不需要这么高的精度,可以自行在源码修改(如24位),可以降低资源消耗.
FPGA和上位机使用SPI通信,类似内存映射模式.

对于FPGA来说,本系统的时钟有多个,一个是外部输入时钟,一个是STM32的PLL2输出时钟给FPGA,最后一个是MS5351输出的时钟给FPGA.一般STM32的PLL作为主要时钟输入.时钟可以通过指令切换源.

STM32与FPGA通过SPI通信,其实是另一种内存映射.

电源输入部分使用12V DC2.1插座,而后使用MOS管做电子开关,使用前面板的开关来控制系统电源,而后使用L6滤波后作为系统主电源.

系统电源也是非常简单,由于这个只有一个A7和一个H5,吃不了多少功耗,随便上了几个sot23-6的电源芯片作为主供电,LDO给GT供电即可.

端口线序如下所示

其余的硬件设计不再阐述,是非常基本的FPGA最小系统设计和STM32系统设计.

最终装配指南见"减配指南"文档,这个文档编辑了最后符合本系统的装配图,以及对应的BOM表,用户可以使用这个文档的BOM表匹配哪些元器件需要装配.

SDRAM非必需,本项目也用不了,纯粹是我为了测试功能不浪费引脚上的.
以太网本来是想用的,芯片上错了,上成了STM32H562,这个没以太网就不实现了.
项目内部还有一个选件的遗留项目,选件由于脑抽画错了导致不能使用,而连接板由于铝壳卖完了(非标品)也用不了.不过大部分情况有这个主板就好了,别的只是Addiction.
这个选件的目的是动态高压输出,基于TPS61170的动态调压特性实现.相信懂的人都懂.

使用方法

本设备的前面板有一个开关,两个插槽,一个USB接口.USB接口用于和上位机连接,也支持SCPI指令.
后面板有电源开关,复位按钮,参考时钟输入和输出,以及串口.串口用于连接console页面,通过console页面来操作设备更为简单.

console操作方法:
连接后面板USB口,波特率2000000,八位无校验,重启后按TAB可以见到如下指令表

你只需要关注rsplg开头的函数即可,操作顺序为:
pulseconfig(配置脉冲输出)->pulsesync(多通道同步)->timsave(若需要下次上电保留参数)
指令操作方法可以输入rsplg.man搜寻
若需要微调时钟,示波器测量RF3 SMA接口,使用rsplg.osctrim来微调频点即可
reboot可以快速复位系统

上位机操作方法:
连接前面板USB口,打开上位机软件,进入主面板,点击RSPLG,选择参数(串口号,型号)

点击进入页面

剩下的任君自由修改.注意应用只是预览,要点击设置才能正确配置到下位机

SCPI操作方法:
注意,这部分未测试,仅做拓展用途
连接前面板USB口,波特率460800,八位无校验,打开串口软件输入指令即可.
需要注意的是所有指令前需要加':'(ANSI冒号),设备才能正确识别,这一点和标准的SCPI指令不一样.
支持以下指令
1.*RST - 系统复位

指令格式： *RST
功能描述： 执行系统硬复位，将设备恢复到初始状态
参数： 无
说明： 该指令会触发NVIC系统复位，相当于硬件重启设备
示例：
*RST

2.PULSer:CONFig - 脉冲配置

指令格式： PULSer:CONFig <通道>,<频率>,<延迟>,<脉宽>,<极性>
参数说明：
<通道>：脉冲通道编号
<频率>：脉冲频率（Hz）
<延迟>：脉冲延迟时间
<脉宽>：脉冲宽度
<极性>：脉冲极性（0=正脉冲，1=负脉冲）

功能描述： 配置指定通道的脉冲参数
返回值： 成功返回OK，参数错误返回错误
示例：
PULSer:CONFig 0,1000000,100,50,0    # 配置通道0：1MHz频率，100ns延迟，50ns正脉冲
PULSer:CONFig 1,5000000,200,100,1   # 配置通道1：5MHz频率，200ns延迟，100ns负脉冲

3.PULSer:SAVE / TIMer:SAVE - 保存配置
注:这两个指令功能一样,只是方便使用重命名

指令格式： PULSer:SAVE <通道> 或 TIMer:SAVE <通道>
参数说明：

<通道>：要保存配置的通道编号

功能描述： 将指定通道的脉冲/定时器配置保存到非易失性存储器
返回值： 成功返回OK，参数错误返回错误
示例：

PULSer:SAVE 0    # 保存通道0配置
TIMer:SAVE 1     # 保存通道1配置

4.TIMer:CONFig - 定时器配置

指令格式： TIMer:CONFig <通道>,,,,<模式>,<触发>
参数说明：

<通道>：定时器通道编号
：自动重载值
：比较值A
：比较值B
<模式>：定时器工作模式
<触发>：触发使能（0=禁用，1=启用）

功能描述： 直接配置定时器硬件寄存器参数
返回值： 成功返回OK，参数错误返回错误
示例：

text
TIMer:CONFig 0,399,300,400,6,1    # 配置通道0定时器
TIMer:CONFig 1,49,0,100,6,0       # 配置通道1定时器

注意事项

• vivado运行环境为Ubuntu20.04,vivado 2020.2,MDK运行环境为Windows10,AC6编译器,其他环境出问题恕不解答
• 输出没有下拉电阻,连接到DUT时记得加下拉电阻吸收振铃.
• 记得给BOOT找个跳线插上去
• FPGA的FLASH要改为xxQ128,不能用xxQ256
• RF4是单片机的32768输出,由于没有合适的超级电池,这部分弃用
• 单片机的EEPROM要选用24C16,不可太大(地址模式不一样)也不可太小(东西写不进去)
• 不同通道在下文此处更改,最多支持32通道,约束已做好

//dir:user/rsplg101_top.v
module rsplg101_top #(
    parameter	VERSION	=	16'h8002,
    parameter	ADDR_BITS   =	3,
    parameter	AW	        =	8*ADDR_BITS-1,
    parameter   PWM_CH = 'd16,//<-here
    parameter	DO_INT_W	=	17,
    parameter   PWM_WIDTH = $clog2(PWM_CH)
)(

• 由于上传限制,不上传完整vivado工程,请根据脚本构建
• vivado工程芯片为7a100t,其余版本请自行适配,仅提供100t工程16通道的固件
• 综合后不知为何在impl版本会失败,再综合一次就好了
• 100t版本32通道会极其拖延综合时间,慎用

测试图

注:受到测量方法和端口匹配的限制,脉宽可能不是很准,仅供参考

输入: tpw:95ns,f=50kHz.

输入: tpw:810ns,f=19.198kHz(Actual=19,198.279Hz).

输入:
ch 00: freq = 250.000kHz, tpw = 2.250us, tdelay = 0.000ns, Polar : NEG.
ch 01: freq = 250.000kHz, tpw = 900.000ns, tdelay = 50.000ns, Polar : POS.

输入: tpw:50ns,f=2.5MHz.

输入: tpw:25ns,f=10MHz.

实物图

视频见附件

开源工程和引用链接

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