FPGA设计中DAC7512控制的Verilog实现

FPGA设计中DAC7512控制的Verilog实现

一，概述

DAC7512是一个12-BIT，串行接口的DAC。低功耗，RAIL-TO-RAIL输出，SOT23-6封装。3线串行端口最高工作频率可以达到30MHZ，并兼容SPI，QSPI，MICROWIRE等总线。

DAC7512没有专用的基准电压输入，直接把VDD和GND作为基准电压，12BIT的分辨率，其输出电压为VOUT = VDD * D/4096。其中D是12BIT电压数值。

SOT23-6封装的DAC7512的引脚图如下。

DAC7512具有3线串行端口，其信号定义如下所示：

对DAC7512来讲，在总线上只会接收控制器发出的16BIT的数字信号（2BIT 无效数据，2bit控制数据和12bit（信号幅值数据）。所以对于控制器来讲，在总线操作上，只需要串行写这一种操作。

总线串行写操作在SYNC的下降沿开始。16 bit的数据在SCLK的下降沿被依次送入到DAC7512内部的移位寄存器中。从功耗的角度上讲，如果SYNC在空闲状态保持低电平，则有利于功耗的降低，但从总线操作的角度上讲，需要SYNC的下降沿来启动一次传输。

下面的图和表是总线操作的时序要求：

二，总线控制器的设计

根据总线控制器的特性，采用状态机来实现总线控制器的设计。从上面DAC7512的操作时序上来看，用一个三状态的状态机实现总线控制器是比较好的选择。在系统初始化或者没有数据传输时，系统处于空闲状态（DAC_IDLE），为了降低功耗，在这个状态下，SYNC信号为低电平；当有数据需要传输时，先进入DAC_PRE状态，在这个状态下，使SYNC信号为高电平，DAC_PRE状态保持的时间最短为SYNC需要保持为高电平的时间，即上图的T8，在VDD为3.6V~5.5V的时候，为33ns；当DAC_PRE状态结束时，进入DAC_DATA状态，在这个状态下，依次把16bit数据送到总线上去。

下图是状态机状态转换图。系统初始化或者数据传输结束时，进入

DAC_IDLE状态。当有数据需要传输时，进入DAC_PRE状态。在DAC_PRE状态保持的时间，根据SYNC保持高电平的时间来决定，采用一个计数器来实现保持时间。系统进入DAC_DATA时，开始传输数据，当16bit数据全部传输完毕后，系统回归到IDLE状态。

DAC_DATA状态下，送往总线的数据由计数器来控制，DAC_DATA状态保持的时间也由计数器控制。由于总线上，数据在SCLK的下降沿被DAC7512锁存，所以控制器需要在SCLK的下降沿之前把数据送到总线上，并且要保证数据SETUP TIME的要求。为了便于控制，我们采用一个比SCLK的频率高一倍，且相位相同的时钟（CLK_IN）来控制总线上数据的转换。DAC_DATA状态计数器也工作在这个时钟频率下。

下面是状态机部分的verilog实现：

reg DA_SCLK; //串口时钟，由CLK_IN二分频得到，本例中CLK_IN为50MHz 时钟，DA_SCLK为25MHz

always @(posedge CLK_IN or negedge RESET)

begin

if(~RESET)

DA_SCLK <= 1'b0;

else

DA_SCLK <= ~DA_SCLK;

end

parameter DAC_IDLE = 3'b001, //系统空闲

DAC_PRE = 3'b010, //系统数据预传输状态

DAC_DATA = 3'b100; //系统数据传输状态

reg [2:0] DACSM, DACSMNXT;

wire PHASE_DAC_IDLE = DACSM[0];

wire PHASE_DAC_PRE = DACSM[1];

wire PHASE_DAC_DATA = DACSM[2];

wire PHASENXT_DAC_IDLE = DACSMNXT[0];

wire PHASENXT_DAC_PRE = DACSMNXT[1];

wire PHASENXT_DAC_DATA = DACSMNXT[2];

reg [2:0] DAC_PRE_CNT; //系统预传输保持时间计数器，工作在CLK_IN时钟频率下，生成的DAC_PRE_END信号作为状态机跳转信号。

always @(posedge CLK_IN or negedge RESET)

begin

if(~RESET)

DAC_PRE_CNT <= 3'b0;

else if(PHASE_DAC_PRE)

DAC_PRE_CNT <= DAC_PRE_CNT + 3'b1;

else

DAC_PRE_CNT <= 3'b0;

end

wire DAC_PRE_END = (DAC_PRE_CNT >= 3'b110);

reg [7:0] DAC_DATA_CNT; //DAC_DATA状态计数器，工作在CLK_IN时钟频率下，是总线上数据传输频率的两倍，所以在需要传输16bit数据的时候，该时钟需要计数到32。

always @(posedge CLK_IN or negedge RESET)

begin

if(~RESET)

DAC_DATA_CNT <= 8'b0;

else if(DAC_DATA_CNT == 8'd32)

DAC_DATA_CNT <= 8'd0;

else if(PHASENXT_DAC_DATA | PHASE_DAC_DATA)

DAC_DATA_CNT <= DAC_DATA_CNT + 8'b1;

else

DAC_DATA_CNT <= 8'b0;

end

wire DAC_DATA_END; //数据传输结束信号

assign DAC_DATA_END = (DAC_DATA_CNT >= 8'd31);

always @(posedge DA_SCLK or negedge RESET)

begin

if(~RESET)

DACSM <= DAC_IDLE;

else

DACSM <= DACSMNXT;

end

always @(DACSM or DA_DATA_EN or DAC_PRE_END or DAC_DATA_END) begin

DACSMNXT = DACSM;

case(DACSM)

DAC_IDLE:

if(DA_DATA_EN)

DACSMNXT = DAC_PRE;

else

DACSMNXT = DAC_IDLE;

DAC_PRE:

if(DAC_PRE_END)

DACSMNXT = DAC_DATA;

else

DACSMNXT = DAC_PRE;

DAC_DATA: