Quartusでデジタルフィルタ係数ROMの作成

Spartan3Eで作っていたFMトランスミッタのVerilogコードをDE0-nano（アルテラ）に移植しています。そこでIPコアのライセンスについて調べてみたら、Quartusライトエディションでは基本的な演算やハードIPは無償ですが、FIRフィルタやNCOを含むIP Base Suiteが有償オプションということになっています。これらのIPは、ライトエディションで使用できても、評価版という位置づけのようです。

係数ROMの作成

まずはデジタルフィルタのコードを移植です。係数ROMはハードIPなので、アルテラのハードIP "ROM: 1-PORT" をインスタンシエートします。基本的な機能は、ザイリンクスと同じなので同じ機能になるよう設定を進めます。ザイリンクスではフィルタの係数をCOEファイルで指定していましたが、アルテラでは、MIF（Memory Initialization File）かインテルHEXフォーマットを使います。このファイルは、QuartusでFile ⇒ New ⇒ Memory Initialization Fileとすると手入力できます。

とはいえ、係数は256行もあるのでエクセルで所定フォーマットに変換後、QuartusのMIFファイルにコピペ。Quartusのエディタを使うと係数データが2進数なのに、DATA_RADIX=UNS（Unsigned decimal）とされてエラーになるので"BIN"に修正しました。

MIFファイルのイメージ

WIDTH=18;
DEPTH=256;
ADDRESS_RADIX=UNS;
DATA_RADIX=BIN;
CONTENT BEGIN
0    :   000000000000000001;
1    :   000000000000000001;
2    :   000000000000000000;
3    :   111111111111111111;

Raspberry Pi セットアップ備忘録

Raspberry3 model BをWiFi接続／ディスプレイ・キーボード・マウスレスで運用しながらSSHでリモートログインできるまでの設定メモです。

１．準備したもの

• RasberryPi 3B本体
• マイクロSDカード Class10／16GB以上を選んだ
• HDMI-DVI D 変換ケーブル、HDMIが映るモニターがあれば要りません
• USBキーボード
• USBマウス
• microUSB電源、スマホの充電器を使います

２．OSのダウンロード

• Noobs Lite、軽量でネットワークインストール前提のもの

３．SDカードの準備

• SDカードフォーマッター でフォーマット、要はFAT32でフォーマットしてるみたい
• 解凍したNoobs Liteの中身をコピーしておく

４．OSのインストール

• SDカードをRasberryPiの挿入し、起動する。赤ランプが点灯するだけで変化しないときはカードの読み込みに失敗してる。SDのフォーマット形式など確認。
• WiFiの設定を行う
• Raspbianを指定してインストール、ネットワークインストールは結構時間かかる
• LanguageはEnglish(US)とする

５．OSの初期設定

• Preferences　⇒ Raspberry Pi Configuration

Change Password : （デフォルトユーザ）pi のパスワードを変更
Auto Login : Login as user pi はチェックのまま
Boot : CLI にチェック

• Interfaces

SSH : Enabled に変更

• Location

Locale： en, US, UTF-8
Timezone : Asia Tokyo
Wifi Country : JP Japan 

６．WLANのIPアドレスを固定する

• 「/etc/dhcpcd.conf」ファイルを編集

コマンドラインから sudo nano /etc/dhcpcd.conf とし、最終行に次の内容を追加
（Ctrl+O 保存、Ctrl+X終了）
　
interface wlan0
static ip_address=192.168.0.x/24　⇒ 固定したいIPアドレス

static routers=192.168.0.x　⇒ デフォルトゲートウェイ
static domain_name_servers=192.168.1.x　⇒ DNS

• sudo reboot として再起動
• コンソールからifconfigとやるとIPアドレスを確認できる

７．リモートログイン

• WindowsからTeraTermでアクセス
• SSH接続中 TeraTermのウインドウにファイルをドラッグアンドドロップするとファイル転送ができる（！）ただし"SCP(Secure CoPy)"を選ぶこと

DE0-nano 拡張ボード： オーディオ入出力部 光コネクタのピンアサインを間違えた

オーディオの光出力が動作しません。しかも赤色の光が暗いし。よーく考えて配線ミスではと気づきデータシートを確認。ああ、OPT-TXのピン配線が逆だった！
光コネクタのGNDとVinがあべこべに接続されていました。光コネクタを取り外し、サーマルグランドのカット・パターンカット・ジャンパ線追加・コンデンサの接続替えで無事動作してくれました。

チェックしたはずなのに、なぜ間違えたんだろう。。。EVERLIGHTのPLT133/T10WのUsing Methodだけを見て設計すればよかったんですが、同じページにあるPackage DimensionとUsing Methodのピン番号が対応してないんですね。落とし穴にはまってしまいました。

ArduinoでPB6, PB7ピンを使う

Arduino NanoではATmega328のPB6, PB7ピンは外付け水晶発振器を接続するため操作できませんが、内蔵RC発振器を使う前提であればこの端子も使えるのではと考えました。これはpins_arduino.cの設定変更で対応できるようですが、私のArduino 1.8.2ではこのファイルがpins_arduino.hに変わっていました。

C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\variants\standard\pins_arduino.h に追記・変更します。

#define NUM_DIGITAL_PINS            22

const uint8_t PROGMEM digital_pin_to_port_PGM[] = {
PD, /* 0 */
PD,
PD,
PD,
PD,
PD,
PD,
PD,
PB, /* 8 */
PB,
PB,
PB,
PB,
PB,
PC, /* 14 */
PC,
PC,
PC,
PC,
PC,
PB, /* 20 */ PB, /* 21 */};

const uint8_t PROGMEM digital_pin_to_bit_mask_PGM[] = {
_BV(0), /* 0, port D */
_BV(1),
_BV(2),
_BV(3),
_BV(4),
_BV(5),
_BV(6),
_BV(7),
_BV(0), /* 8, port B */
_BV(1),
_BV(2),
_BV(3),
_BV(4),
_BV(5),
_BV(0), /* 14, port C */
_BV(1),
_BV(2),
_BV(3),
_BV(4),
_BV(5),
_BV(6), /* 20 port B */
_BV(7), /* 21 port B */};

const uint8_t PROGMEM digital_pin_to_timer_PGM[] = {
NOT_ON_TIMER, /* 0 - port D */
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
// on the ATmega168, digital pin 3 has hardware pwm
#if defined(__AVR_ATmega8__)
NOT_ON_TIMER,
#else
TIMER2B,
#endif
NOT_ON_TIMER,
// on the ATmega168, digital pins 5 and 6 have hardware pwm
#if defined(__AVR_ATmega8__)
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
#else
TIMER0B,
TIMER0A,
#endif
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER, /* 8 - port B */
TIMER1A,
TIMER1B,
#if defined(__AVR_ATmega8__)
TIMER2,
#else
TIMER2A,
#endif
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER, /* 14 - port C */
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER,
NOT_ON_TIMER, /* 20 */
NOT_ON_TIMER, /* 21 */};

サンプルレートコンバータをArduinoのI2Cで制御

DE0nano用の自作オーディオ入出力基板のサンプルレートコンバータはI2Cで初期設定しないと動作しません。普通ならFPGAから制御するところですが、私の実力不足であえてAVRマイコン ATmega328を付けています。このAVRマイコンチップは、Arduino UNOと同じなのでArduinoの開発環境を使ってみることにしました。

AVRマイコンとArduinoピン名称の対比

次の表は、ATmega328とArduino UNO ピン名称の対応を示したものです。自作基板の設計段階では、ArduinoIDEを使う想定はなかったのでアナログ入力端子にデジタル入力を割り当ててしまいましたが、調べたところ特に問題なく使えるようです。

ArduinoでのI2C制御

こんな感じに書くだけで、I2Cが使えます。

Wire.begin(); // join i2c bus (address optional for master)
Wire.write(0x08);   // Register 08: Transmitter Control Register 2
Wire.write(0x00);
Wire.endTransmission();

Cで書くのとやってることは同じですが、わかりやすく関数化されてます。これ、シンプルで簡単にみえますけどI2Cの信号のやりとりをイメージできないとまるでブラックボックスです。何はともあれ、SRC4382のレジスタ設定をべた書きするだけで呆気なく動いてくれました。

今回のArduinoスケッチ

#include <Wire.h>

#define ASRC_INT  2
#define MCU_INT  3
#define MCU_RDY  4
#define DIPSW0  5
#define DIPSW1  6
#define DIPSW2  7
#define DIPSW3  8
#define LED3  9
#define LED4  10
#define RST  A3
#define SRC4382_ADDR  0x70

サンプルレートコンバータのマスタクロックをつくる

サンプルレートコンバータに供給するクロックをDE0nanoで作ります。DE0nano基板に搭載された50MHzクロックモジュールの信号をFPGA内蔵のPLLで所要の周波数に変換します。PLLはFPGAに埋め込まれたハードマクロなので、利用するにはIPコア（IPメガファンクション）をインスタンシエートします。
まずは、練習としてサンプルレートコンバータから受け取ったそのままループバックして送信させてみます。

PLLを使うIPを生成

Quartus Primeのウインドウに表示されるIP Catalog（表示されていなければTools ⇒ IP Catalog）からALTPLLを選びます

IPの保存先を聞いてくるので適当な名前を付けて保存（ここではXPLL）

入力クロック周波数 50MHz

これはそのまま。リセットとロック検出があれば良いですね。

そんなに細かいこと聞かれても

これもそのまま

これもそのまま

出力周波数24.576MHzにします

clk c1～c4は使わないのでスルー

これもそのまま

インスタンシエーション テンプレートにチェック

プロジェクトに登録

作成済みIPの設定を変更するには

あとからPLLの周波数を変更するなど設定を変えるには、Project Navigator の IP Components タブで変更したいIPを右クリックして Edit in Parameter Editor を起動する。が、Parameter Editorが灰色で選べないときは、メモリ不足らしいのでQuartusの再起動や設定変更で対応します。

IPを使う

具体的なコードは、記事の最後に示します。今回のPLLとasrc_ifモジュールを呼び出し、FPGAの外部ピンと接続しています。

コンパイルすると、例のごとくWarningがいくつか出てきます。

Warning (292013): Feature LogicLock is only available with a valid subscription license. You can purchase a software subscription to gain full access to this feature.

えっ！このIPコア有料！？まさか！！。どきりとしました。調べてるとLogicLock（下位階層モジュールごとに最適化していくコンパイル手法）機能を使うには、有料ライセンス買ってくださいねというメッセージでした。目障りならWarningのsuppress機能で表示を消すしかないみたいです。

Warning (15064): PLL "XPLL:XPLL24M576|altpll:altpll_component|XPLL_altpll:auto_generated|pll1" output port clk[0] feeds output pin "SRC_MCLK~output" via non-dedicated routing -- jitter performance depends on switching rate of other design elements. Use PLL dedicated clock outputs to ensure jitter performance

SRC_MCLKに割り当てたFPGAのピンは、PLL専用の配線領域を経由していないからジッタ特性が良くないかもという警告でした。是正するには、ピンアサインを変更しなくてはなりませんが今回の用途では問題視することでもないかと考えました。

module DE0nano

(

CLOCK_50,

KEY0,

LED,

SRC_RST,

SRC_MCLK,

SRC_LRCK,

SRC_BCK,

SRC_DOUT,

SRC_DIN,

SRC_LOCK

);