【问题标题】:Independent Nexys 4 clocks desynchronizing over time独立的 Nexys 4 时钟随时间不同步
【发布时间】:2016-01-06 06:50:38
【问题描述】:

我们正在开发一个程序,该程序需要两个设备上的同步时钟来测量超声信号的飞行时间。

问题在于,当我们合成程序并在两个独立的 Nexys4 FPGA 上对其进行测试时,距离往往会随着时间的推移而减小 (0.13 cm/s)。这个比率是恒定的,并且一直在下降,导致我们认为问题出在代码中。

当我们只在一个 Nexys 4 中合成程序时,随着时间的推移没有看到任何减少。

我们有一个用于监听信号的模块(每个从机 3 个信号,和 3 个从机),称为 dataListener:信号 SendCommand 是用于向 SRF02 超声波发送方向和命令的 UART 模块的控制信号,该模块正是两台设备都一样。

module dataListener(
    input mclk,
    input clkSync,
    input reset,
    input rxDataRdy,
    output wire[7:0] command,
    output reg[7:0] direction,
    output reg read,
    output reg sendCommand,
     output reg dataChanged,
     output reg [1:0] slave,
     output reg [1:0] sensor
    );

parameter dir0 = 8'd0;
parameter dir1 = 8'd3;
parameter dir2 = 8'd6;

parameter rangingCommand = 8'd87;
parameter readCommand = 8'd94;

//parameter clkTime = 0.000000001; // 1ns Simulation // 10ns FPGA
//parameter windowTime = 0.08; // 80 ms
//parameter listenTime = 0.07; // 70ms
parameter windowCyclesDuration = 8000000;
parameter listenCyclesDuration = 7000000;

reg [54:0] windowCounter;
reg emitSent;
reg readSent;

reg slave1;
reg slave2;
reg slave3;

assign command = emitSent ?  readCommand : rangingCommand;
///////////////////////////////////////////////////////////////////

always @(posedge mclk) begin

    if( reset )begin
        sensor <= 2'b0;
        windowCounter <= 55'b0;
        emitSent <= 0;
        readSent <= 0;
          slave <=0;
    end else begin
          if( clkSync ) begin

            if( windowCounter >= windowCyclesDuration )begin //Window ended
                windowCounter <= 55'b0; //resetCounter
                emitSent <= 0;
                readSent <= 0;
                if( sensor == 2'd2 )begin
                        sensor <= 2'b0;
                        if(slave == 2'd2)
                            slave <= 2'b0;
                        else
                            slave <= slave+1'b1;
                end else begin
                    sensor <= sensor + 1'b1;
                end       
            end else begin
                windowCounter <= windowCounter + 1'b1;  //Window in process
                if(!emitSent)begin
                    sendCommand <= 1;         
                end
                else if( (windowCounter >= listenCyclesDuration) && !readSent)begin //listen done, time to send the read command
                    sendCommand <= 1;         
                end           
            end

            if(sendCommand)begin
                sendCommand <= 0; //Shut down "sendCommand" signal.
                if(!emitSent)
                    emitSent <= 1;
                else
                    readSent <= 1;
            end
        end
        /// Process incoming data 
        if( rxDataRdy )begin
            read <= 1;  
        end else if( read )begin
            read <= 0;

        end 
    end
end

//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @( sensor ) begin
    case(sensor)
        2'd0: begin
            direction <= dir0;
        end
        2'd1: begin
            direction <= dir1;
        end
        2'd2: begin
            direction <= dir2;
        end
        default: begin
            direction <= dir0;
        end
    endcase
end

endmodule

从设备上发送命令的模块:

module slave(
     input mclk,
    input clkSync,
     input reset,
     output [7:0] command,
    output [7:0] direction,
     output reg sendCommand,
     output inWindow
    );

parameter numSlave = 2'b0;          //Between 0-2
parameter dir=8'd0;                 //Depends on the slaves direction
parameter comm=8'd92;

assign command = comm;
assign direction = dir;

parameter windowCyclesDuration = 8000000;

reg [54:0] windowCounter;
reg [1:0] sensor, slave;
reg commandSent;
assign inWindow = (slave == numSlave);

always @(posedge mclk) begin

    if( reset )begin
        windowCounter <= 55'b0;
          sendCommand <=0;
          commandSent <= 1; 
          slave <= 2'b0;
          sensor <= 2'b0;
   end else begin
          if( clkSync ) begin
            if( windowCounter >= windowCyclesDuration )begin //Window ended
                windowCounter <= 55'b0; //resetCounter
                     commandSent <= 0; 
                if( sensor == 2'd2 )begin
                        sensor <= 2'b0;
                        if(slave == 2'd2)
                            slave <= 2'b0;
                        else
                            slave <= slave + 1'b1;
                end else begin
                     sensor <= sensor + 1'b1;
                end       
            end else begin
                    windowCounter <= windowCounter + 1'b1;  //Window in process
                    if( inWindow && !commandSent)begin //im in my window and command not sent yet
                        sendCommand <= 1;//send when a new window is about to begin
                        commandSent <= 1;
                    end
            end 

                if(sendCommand)begin
                    sendCommand <= 0; //Shut down "sendCommand" signal.
                end
          end       
    end
end

endmodule

信号clkSync 仅在两个设备“同步”时才会激活,这仅在通过电缆开始运行时发生,然后移除电缆以允许移动。

这里是master的同步模块:

module SyncM(
    input mclk,
    input reset,
    input response1,
    input response2,
    input response3,
    output reg call1,
     output reg call2,
     output reg call3,
    output reg clkSync,
     output reg slave1,
     output reg slave2,
     output reg slave3
     );



always @ (posedge mclk)   begin

    if(reset)begin
        clkSync <= 0;
        slave1 <= 0;
        slave2 <= 0;
        slave3 <= 0;
        call1 <= 0; 
        call2 <= 0;
        call3 <= 0;
    end else begin

        if( btn && !call1 )begin    
            call1 <= 1;
            call2 <= 1;
            call3 <= 1;
            clkSync <= 1;
        end

        if(response1)
                slave1 <= 1;

        if(response2)
                slave2 <= 1;

        if(response3)
                slave3 <= 1;
    end
end
endmodule

和从机同步模块,call信号通过电缆从主机发送到从机。

`timescale 1ns / 1ps

module SyncS(
    input reset,
     input call,
    output reg clkSync,
    output reg response
    );


always @ (reset or call) begin

    if(reset) begin
        clkSync <= 0;
        response <= 0;        
    end else begin
        if (call) begin
            response <= 1;
            clkSync <= 1;
        end
  end
end
endmodule

【问题讨论】:

  • 在一块板上,您是否使用 2 个独立的晶体振荡器来保持同步?我怀疑不是,所以你看到振荡器的频率漂移。两者使用相同的振荡器,从一个板连接到另一个板,或在必要时通过射频链路传送同步信号。

标签: verilog hardware hdl


【解决方案1】:

我还没有理解您的所有代码。但是,问题似乎在于,您依赖 FPGA 板上的外部振荡器。如果您使用两块板,两个振荡器将不会以完全相同的频率运行。因此,如果您在启动后仅对相移进行一次补偿,则时钟将在一段时间后不同步。这就是为什么它只使用一个板。

有两种可能的解决方案:

  • 仅使用一个时钟源(振荡器)并将时钟转发到其他板。

  • 定期补偿相移。

两种解决方案都需要两个板之间或多或少的稳定连接。

【讨论】:

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