Описание стенда и быстрый старт

- docs/stand.md: состав стенда, схема и таблица соединений, питание, порядок работы, нормальные показания на ПК и на выходе ЦАП, неисправности; - README: UART через мост BL616 вместо внешнего FT232, быстрый старт, структура, команды симуляции через --elab-run (работают и с mcode-сборкой GHDL), python вместо py -3, список локальной документации; - .gitignore: мусор генератора IP Gowin, Python, Windows.
2026-10-02 14:21:07 +03:00
parent d6f3ee5ef8
commit 525a1dd90e
3 changed files with 490 additions and 40 deletions
@@ -1,10 +1,52 @@
 # Цифровой микрофон SPH9855 на Tang Primer 25K

-Прошивка принимает поток PDM с микрофона SPH9855LM4H-C, приводит его к
-**24 бит / 12 500 Гц** и отдаёт отсчёты кадрами по UART.
+Прошивка ПЛИС GW5A-25 принимает поток PDM с микрофона SPH9855LM4H-C,
+подключённого по линии LVDS (SN65LVDS), приводит его к **24 бит / 12 500 Гц**
+и отдаёт отсчёты сразу в две стороны: кадрами по UART через встроенный мост
+BL616 на ПК и по I2S на ЦАП PCM5102A, чей аналоговый выход смотрят
+осциллографом.

 MIC_CLK 3.125 МГц -> CIC sinc^3 /50 -> 62.5 кГц -> ФНЧ /5 -> **12 500 Гц** ->
-кадры по 50 отсчётов -> UART 921600.
+- кадры по 50 отсчётов -> UART 921600 -> BL616 -> USB на ПК;
+- пересчёт в 48 828 Гц -> I2S -> PCM5102A -> осциллограф.
+
+**Стенд целиком** — состав, схема соединений, питание, порядок включения,
+нормальные показания и неисправности — описан в [docs/stand.md](docs/stand.md).
+
+## Быстрый старт
+
+Сборка — в Gowin IDE: открыть `DigMic.gprj`, Run All. Битстрим —
+`impl\pnr\DigMic.fs`.
+
+Загрузка в ПЛИС через мост BL616 (DirtyJTAG):
+
+```powershell
+openFPGALoader -c dirtyJtag impl\pnr\DigMic.fs
+```
+
+Проверка: светодиод платы часто мигает (10 Гц), а на ПК идёт поток:
+
+```bash
+python -m pip install -r tools/requirements.txt
+```
+
+```bash
+python tools/uart_live.py --port COM14
+```
+
+COM14 — порт моста BL616 на рабочем ПК стенда; на другом ПК номер покажет
+`python tools/uart_capture.py --list`. Норма: 250 кадров/с, CRC 0, STATUS чисто.
+
+## Структура
+
+```
+DigMic.gprj                     проект Gowin, GW5A-LV25MG121NC1/I0, ревизия A
+impl/DigMic_process_config.json настройки синтеза и PnR (остальное в impl/ не трекается)
+src/                            RTL, ограничения выводов и тайминга, IP-ядро PLL
+tb/                             тестбенчи: сквозной, ветвь ЦАП, кнопка
+tools/                          скрипты ПК: приём, просмотр, прослушивание, расчёт ФНЧ
+docs/stand.md                   описание стенда
+```

 ## Тактирование и частоты

@@ -16,6 +58,7 @@ MIC_CLK 3.125 МГц -> CIC sinc^3 /50 -> 62.5 кГц -> ФНЧ /5 -> **12 500
 | ФНЧ | 221 отвод, децимация 5 | до 12 500 Гц |
 | Выходная ЧД | 12 500 Гц | |
 | UART | 921600, 8N1 | 157 байт на кадр, 250 кадров/с, 39.25 кБ/с (43% канала) |
+| I2S | fS 48 828.125 Гц = 50/1024, BCK 64 fS, SCK 12.5 МГц = 256 fS | проверено на железе отдельной прошивкой-генератором синуса |

 Делитель 16 выбран не произвольно: чтобы обойтись без PLL, частота PDM должна
 быть 50 МГц / N, а чтобы децимация до 12 500 Гц была целой, N обязан делить
@@ -44,7 +87,7 @@ CIC снимает поток до 62.5 кГц, а всю избирательн
 Коэффициенты и разрядности лежат в `src/fir_coefs_pkg.vhd`, файл генерируется:

 ```bash
-py -3 tools/gen_fir_coefs.py
+python tools/gen_fir_coefs.py
 ```

 ## Шкала
@@ -66,31 +109,92 @@ py -3 tools/gen_fir_coefs.py
 SYNC в CRC не входит: он нужен приёмнику для ресинхронизации до того, как тот
 начнёт что-либо считать.

+UART_TX выведен на C3 — цепь `FPGA_UART_TX` платы Dock, к встроенному мосту
+BL616. На мосту стоит заменённая прошивка (отдельный проект BL616): она
+держит 921600 без потерь и одновременно даёт JTAG, так что загрузка и приём
+идут по одному кабелю USB-C. Со штатной прошивкой Sipeed UART моста работал
+плохо, а Gowin Programmer, наоборот, видит только её — с заменённой прошивкой
+битстрим грузится через openFPGALoader.
+
+## Выход на ЦАП
+
+I2S и SCK — те же, что в отдельной прошивке-генераторе синуса, на которой
+модуль PCM5102A проверялся на железе: тот же `i2s_transmitter.v` без
+изменений, те же частоты. Источник отсчётов здесь — выход ФНЧ, те же
+отсчёты, что уходят в кадры UART, но мимо FIFO.
+
+Частота ЦАП не равна 12 500 Гц и не кратна ей, но обе делятся из одного
+клока 50 МГц, так что их отношение точное и постоянное: 4000 / 1024 тактов.
+Поэтому пересчёт обходится без буфера и без подстройки, которые нужны
+`uart_audio.py` на ПК. Пересчёт — линейная интерполяция между двумя
+последними отсчётами, доля берётся из числа тактов с прихода последнего.
+Простое удержание давало бы ступени по 3–4 повтора с дрожанием на период ЦАП
+и зеркала 12.5 кГц ± f на −21 дБ (для 1 кГц); с интерполяцией они на −43 дБ.
+Задержка — один отсчёт, 80 мкс.
+
+Полоса та же, что у тракта, — до 5 кГц. Полная шкала 24 бит — это 2.1 В скз
+на выходе PCM5102A, а фон в комнате около −72 dBFS и речь около −50 dBFS —
+без усиления это доли и единицы милливольт.
+
+### Усиление ЦАП с кнопки
+
+Усиление ветви ЦАП переключает кнопка S1 на плате (H11): каждое нажатие —
+следующая ступень, ровно +6.02 дБ (сдвиг отсчёта на разряд), после
+`DAC_GAIN_MAX` снова 0. После включения питания усиление 0 — та же шкала,
+что на UART. На UART всегда уходят исходные отсчёты, кнопка на них не влияет.
+
+`DAC_GAIN_MAX` в `Top.vhd` по умолчанию 8, то есть до +48 дБ: фон комнаты
+там уже на −24 dBFS, а при чувствительности микрофона −39 dBFS (на 94 дБ SPL)
+всё громче примерно 85 дБ SPL упирается в шкалу. Предел — 15 (+90 дБ). Выше
+шкалы отсчёт ограничивается, признака этого нигде нет.
+
+Выбранную ступень показывает светодиод: пауза, N коротких вспышек (для 0 —
+одна длинная, 1 с), пауза, и он возвращается к обычной индикации. Нажатие во
+время показа начинает показ заново. Дребезг отсекается: уровень кнопки
+принимается, только если продержался 20 мс.
+
+Уровень на выходе ЦАП при ступени N больше уровня у микрофона на 6.02·N дБ
+минус спад интерполяции (−0.18 дБ на 1 кГц). Постоянная составляющая
+микрофона около −90 dBFS и не мешает даже на верхних ступенях.
+
 ## Распиновка

-| Цепь | Назначение | Пин ПЛИС | Контакт J1 |
-|:--|:--|:--:|:--:|
-| clk_50m | тактовый генератор платы, 50 МГц | E2 | — |
-| UART_TX | на внешний мост, ПЛИС -> ПК | G5 | 22 |
-| LED | индикация | E8 | 17 |
-| MIC_CLK | тактирование микрофона, 3.125 МГц | J11 | 33 |
-| MIC_DAT | однобитный поток PDM | J10 | 35 |
-| MIC_SEL | вывод SELECT микрофона | K7 | 34 |
+Полная таблица с банками, местом на плате и тем, куда идёт каждая цепь, — в
+[docs/stand.md](docs/stand.md#соединения), привязка — в `src/DigMic.cst`.
+Кратко: clk E2, MIC_CLK K8, MIC_DAT K9, ЦАП G1/G2/L4/L3 (SCK/BCK/LRCK/DIN),
+UART_TX C3, кнопка H11, светодиод E8, отладочный выход PLL E3.

-UART идёт на внешний мост, посаженный на гребёнку: встроенный BL616 ограничен
-по скорости. Его цепи, если понадобятся, — C3 (`FPGA_UART_TX`, контакт 21) и
-B3 (`FPGA_UART_RX`, контакт 19).
+### Точка выборки через линию LVDS

-Микрофон сидит в банке 7, а VCCIO банков 6/7 на этой плате подаётся снаружи
-через контакты 29 и 31 гребёнки — без 3.3 В на них выводы микрофона не работают.
-Питание самого микрофона 1.65...3.6 В.
+Кабель, драйверы и приёмники SN65LVDS на обоих концах и задержка выдачи самого
+микрофона сдвигают данные относительно MIC_CLK, и точка выборки для микрофона
+на коротких проводах сюда не подходит.
+Фаза измерена на плате: MIC_CLK на K8 и гистограмма смен уровня K9 по 16
+тактам периода. Все смены — только между тактами 1 и 2, то есть через
+40–60 нс после спада MIC_CLK (с точностью до целых периодов), в остальное
+время данные стоят: пока микрофон отпускает вывод, уровень держит вход
+драйвера LVDS на его плате. Поэтому бит берётся в противоположной фазе,
+`MIC_SMP_CNT = 12` в `Top.vhd`, — около 150 нс запаса в обе стороны. При
+смене кабеля или микросхем линии фазу надо перемерить; для микрофона на
+коротких проводах `MIC_SMP_CNT = -1` возвращает прежнюю точку.

-`MIC_SEL` прошивка держит в `'0'`: микрофон выставляет бит по спаду MIC_CLK,
-выборка идёт в середине низкой фазы. Если вывод SELECT посажен на питание
-платой, поменять `SEL_HIGH` в `Top.vhd` на `'1'` — точка выборки переедет сама.
+### Светодиод для поиска обрыва
+
+`LED_SRC` в `Top.vhd` выбирает, от чего мигает светодиод: 0 — отсчёты ФНЧ
+(рабочий режим), 1 — отсчёты CIC, 2 — биты PDM, 3 — маяк ровно 1 Гц прямо
+от clk, мимо всего тракта. Режимы 0...2 ищут обрыв тракта: быстрое мерцание
+значит, что выбранный участок живой. Режим 3 меряет сам clk: период не 1 с
+означает, что системная частота не 50 МГц, и тогда врут все производные от неё.

 ## Два ограничения кристалла, добытые на железе

+> **Скорее всего, оба — следствие сборки под чужую ревизию.** На плате стоит
+> GW5A-25 **ревизии A**, а проект до 2026-09-30 собирался под B. Проверено на
+> этой плате: один и тот же проект под B не выдаёт ни одного байта (с любым
+> `--device` у программатора), под A — 250 кадров/с без ошибок CRC. JTAG-код у
+> ревизий одинаковый, программатор расхождения не замечает. Под A оба
+> ограничения ещё не перепроверялись.
+
 Оба проявляются одинаково: синтез и трассировка проходят без замечаний, тайминг
 чистый, симуляция верная, а в кристалле тракт молча отдаёт нули.

@@ -106,13 +210,23 @@ B3 (`FPGA_UART_RX`, контакт 19).

 ## Сборка

+Проект собирается под `GW5A-LV25MG121NC1/I0`, Device Version **A**
+(`gw5a25a-002`), см. выше. В Gowin IDE — открыть `DigMic.gprj` и Run All.
+Битстрим — `impl/pnr/DigMic.fs`.
+
 Выводы `clk` (E2) и `LED` (E8) на этом корпусе сидят на двойных функциях
 (SSPI/CPU и READY), поэтому в свойствах проекта их надо разрешить как обычные
-выводы, иначе размещение падает с PR2017. В IDE это флажки CPU, SSPI и READY,
-в `gw_sh` -- `set_option -use_cpu_as_gpio 1 -use_sspi_as_gpio 1
-use_ready_as_gpio 1`.
+выводы, иначе размещение падает с PR2017. Это уже сделано в
+`impl/DigMic_process_config.json`, который лежит в репозитории; в IDE это
+флажки CPU, SSPI и READY, в `gw_sh` — `set_option -use_cpu_as_gpio 1
+-use_sspi_as_gpio 1 -use_ready_as_gpio 1`.

-Занято на GW5A-25: 649 LUT/ALU (3%), 461 регистр (2%), 4 BSRAM (8%), 1 DSP (4%).
+IP-ядро `src/gowin_pll` (с `src/pll_init.v`) нужно только отладочному выходу
+`clk_80MHz` на E3, тракт от него не зависит. Ядро сгенерировано ещё под
+ревизию B; под A проект с ним собирается, но перегенерировать его стоит.
+
+Занято на GW5A-25 вместе с ветвью ЦАП и кнопкой: 1179 LUT/ALU (6%),
+804 регистра (4%), 5 BSRAM (9%), 3 DSP (11%).
 Тайминг сходится с запасом, но полагаться на него как на признак исправности
 нельзя — см. раздел про ограничения кристалла выше.

@@ -128,52 +242,162 @@ B3 (`FPGA_UART_RX`, контакт 19).
 | `src/fifo_top.vhd` | буфер отсчётов, заглушка под IP-ядро Gowin |
 | `src/Packets_creator.vhd` | сборка кадра с CRC-16 |
 | `src/UART.vhd` | передатчик |
+| `src/dac_stream.v` | ветвь ЦАП: усиление, пересчёт в 48 828 Гц, I2S и SCK |
+| `src/i2s_transmitter.v` | передатчик I2S, без изменений из прошивки проверки ЦАП |
 | `src/led_status.vhd` | индикация частотой мигания |
+| `src/gain_button.vhd` | кнопка усиления ЦАП: дребезг, ступени, показ светодиодом |
+| `src/gowin_pll/`, `src/pll_init.v` | PLL для отладочного выхода 80 МГц |
 | `src/DigMic.cst` | привязка выводов |
+| `src/DigMic.sdc` | ограничение клока 50 МГц |
 | `tb/pdm_mic_model.vhd` | поведенческая модель PDM-микрофона |
-| `tb/tb_top.vhd` | сквозной тест: модель -> ПЛИС -> UART -> разбор кадра |
+| `tb/tb_top.vhd` | сквозной тест: модель -> линия LVDS -> ПЛИС -> UART -> разбор кадра |
+| `tb/tb_dac_stream.v` | тест ветви ЦАП: отсчёты -> I2S на выводах -> разбор слов |
+| `tb/tb_gain_button.vhd` | тест кнопки: дребезг, ступени по кругу, вспышки |
 | `tools/gen_fir_coefs.py` | расчёт коэффициентов ФНЧ |
 | `tools/uart_capture.py` | приём кадров, запись `.raw` и `.bin` |
 | `tools/uart_live.py` | живой просмотр: осциллограмма, спектр, счётчики |
+| `tools/uart_audio.py` | прослушивание: поток на звуковую карту ПК |
+| `tools/Bin_to_wav.py` | перевод записанного `.bin` в WAV |
+| `tools/requirements.txt` | пакеты Python для скриптов |

-## Симуляция (GHDL)
+## Симуляция
+
+Сквозной тест, GHDL:

 ```bash
-mkdir -p build && ghdl -a --std=08 --workdir=build src/fifo_top.vhd src/UART.vhd src/led_status.vhd src/pdm_rx.vhd src/cic_decim.vhd src/fir_coefs_pkg.vhd src/fir_decim.vhd src/Packets_creator.vhd src/Top.vhd tb/pdm_mic_model.vhd tb/tb_top.vhd && ghdl -e --std=08 --workdir=build -o build/tb_top tb_top && build/tb_top --stop-time=400ms
+mkdir -p build && ghdl -a --std=08 --workdir=build src/fifo_top.vhd src/UART.vhd src/led_status.vhd src/gain_button.vhd src/pdm_rx.vhd src/cic_decim.vhd src/fir_coefs_pkg.vhd src/fir_decim.vhd src/Packets_creator.vhd src/Top.vhd tb/pdm_mic_model.vhd tb/tb_top.vhd && ghdl --elab-run --std=08 --workdir=build tb_top --stop-time=400ms
 ```

+`--elab-run` работает с любой сборкой GHDL, в том числе с mcode, которая не
+даёт исполняемого файла. Ожидаемый итог — `TEST PASSED`.
+
+Микрофон в тестбенче подключён как на плате, через модель линии LVDS:
+задержка в обе стороны и удержание уровня, пока микрофон отпускает вывод.
+Задержка подобрана так, что смена данных попадает между тактами 1 и 2 — туда
+же, где её видно на железе, — поэтому проверяется та же точка выборки.
+
 Модель прогоняет четыре режима. Три из них дают точно вычислимый ответ:
 постоянные `'1'` и `'0'` — плюс и минус полная шкала, чередование `1010` —
 ровно ноль (эта частота попадает в нуль АЧХ CIC). Четвёртый — синус, у него
 проверяется размах. Тракт настраивается около 10 мс, поэтому в каждом режиме
 кадры читаются до первого сошедшегося.

-## Запись с железа
+Ветвь ЦАП и PLL написаны на Verilog, поэтому GHDL их не собирает и
+предупреждает, что `dac_stream_inst` и `PLL_dbg` не привязаны; тракт UART от
+этого не зависит. Ветвь ЦАП проверяется отдельно, в Icarus Verilog:

 ```bash
-py -3 tools/uart_capture.py --list
+mkdir -p build && iverilog -g2012 -o build/tb_dac_stream tb/tb_dac_stream.v src/dac_stream.v src/i2s_transmitter.v && vvp build/tb_dac_stream
+```
+
+Тестбенч разбирает I2S на выводах так же, как ЦАП, и сверяет каждое слово с
+эталонной интерполяцией бит в бит, с учётом момента, в который оно взято.
+Параметры `-Ptb_dac_stream.GAIN=2` и `-Ptb_dac_stream.WAVE=1` (меандр
+между крайними кодами) проверяют ограничение по шкале и разрядности,
+`-Ptb_dac_stream.GAIN_STEP=3` — переключение усиления на ходу по всем 16
+значениям, в том числе выше `GAIN_MAX`.
+
+Кнопка усиления — отдельно, в GHDL:
+
+```bash
+mkdir -p build && ghdl -a --std=08 --workdir=build src/gain_button.vhd tb/tb_gain_button.vhd && ghdl --elab-run --std=08 --workdir=build tb_gain_button
+```
+
+Такт в нём снижен до 100 кГц, чтобы секунды показа считались быстро.
+Проверяются дребезг и короткая помеха, ступени по кругу, долгое удержание,
+число и длительность вспышек и перезапуск показа нажатием.
+
+## ПО на ПК
+
+Пакеты Python — в `tools/requirements.txt`:
+
+```bash
+python -m pip install -r tools/requirements.txt
+```
+
+COM-порт держит один процесс: запись, просмотр и прослушивание запускаются
+по очереди. Разбор кадров у всех трёх общий (`FrameParser` в
+`uart_capture.py`), так что они не могут разойтись.
+
+### Запись
+
+```bash
+python tools/uart_capture.py --list
 ```

 ```bash
-py -3 tools/uart_capture.py --port COM5 --seconds 10 --out test1
+python tools/uart_capture.py --port COM14 --seconds 10 --out test1
 ```

 Получаются `test1.raw` (весь поток как пришёл, для отладки канала),
 `test1.bin` (только отсчёты, читается `read_24bit_bin()`) и `test1.log`.
 Кадр с несошедшейся CRC отбрасывается, пропуск по FRAME_CNT добивается нулями,
-чтобы не сдвинулась ось времени.
+чтобы не сдвинулась ось времени. Ключ `--dump` пишет только `.raw`, без
+разбора, и показывает, теряет ли байты сам канал.

-## Живой просмотр
+`.bin` переводится в WAV для прослушивания или отправки:

 ```bash
-py -3 tools/uart_live.py --port COM10
+python tools/Bin_to_wav.py test1.bin
+```
+
+Без аргумента файл выбирается в окне. Рядом появляется `test1_gain5.wav`:
+постоянная составляющая убрана, усиление `GAIN`, 12 500 Гц, PCM 16 бит, по
+`WAV_BITS = 24` — полная разрядность. Настройки — константы в начале скрипта.
+Берётся именно `.bin`: в `.raw` лежат кадры целиком, с заголовками и CRC.
+
+### Живой просмотр
+
+```bash
+python tools/uart_live.py --port COM14
 ```

 Осциллограмма в долях шкалы, спектр в dBFS и счётчики кадров в реальном
 времени. Управление кнопками внизу окна, те же действия — клавишами `r`, `a`,
-`d`, `s`, `f`, выход `q`.
+`d`, `s`, `f`, выход `q`. Запись встроена в просмотр по необходимости:
+запустить `uart_capture.py` на том же порту параллельно нельзя.

-Запись встроена в просмотр по необходимости: COM-порт держит один процесс, и
-запустить `uart_capture.py` на том же порту параллельно нельзя. Разбор кадров у
-обоих инструментов общий (`FrameParser` в `uart_capture.py`), так что просмотр
-и запись не могут разойтись.
+### Прослушивание
+
+```bash
+python tools/uart_audio.py --port COM14
+```
+
+Поток уходит на звуковую карту ПК, то есть в джек на компьютере: ЦАП здесь
+она сама, внешнего железа не нужно. Отсчёты 12 500 Гц пересчитываются в
+частоту устройства вывода (обычно 48 000), на входе стоит ФВЧ 20 Гц — иначе
+постоянная составляющая микрофона съедает запас по шкале и даёт щелчок на
+старте. Полоса та же, что у тракта: 5 кГц, звук телефонного качества.
+
+Выход выбирается тот, что назначен в Windows; если нужен другой —
+`--list` показывает и порты, и устройства, `--device` выбирает. Слушать лучше
+в наушниках: динамик рядом с микрофоном даёт самовозбуждение.
+
+Постоянного отношения частот в программе нет нигде, и это главное: 12 500 Гц
+отмеряет кварц платы, частоту вывода — кварц звуковой карты, а расхождение в
+десятки ppm за минуту накапливает миллисекунды и рано или поздно опустошает
+буфер. Поэтому шаг пересчёта подстраивает регулятор по заполнению буфера —
+в строке состояния он виден как `шаг ... ppm`, там же `недобор` и `клип`.
+
+Без порта проигрывается записанный `.bin`:
+
+```bash
+python tools/uart_audio.py --file test1.bin --gain 12
+```
+
+Проверка без порта и без звука — `--selftest` у `uart_audio.py` (пересчёт
+по спектру, непрерывность на стыках блоков, реакция регулятора, ФВЧ) и у
+`uart_live.py` (разбор и отрисовка).
+
+## Документация
+
+Даташиты и схемы в репозиторий не кладутся (`.gitignore`), их держат
+локально в `docs/`:
+
+| Файл | Что это |
+|:--|:--|
+| `docs/SPH9855LM4H-C.PDF` | даташит микрофона |
+| `docs/Primer_25K/Tang_25K_60033.pdf` | схема платы Dock: гребёнка J3, кнопки, BL616 |
+| `docs/Primer_25K/Tang_Primer_25K_52300_Schematic.pdf` | схема модуля Tang Primer 25K |
+| `docs/Primer_25K/Tang_Primer_25K_Specification_V1.0_en.pdf` | спецификация модуля |
+| `docs/DAC_sch.pdf`, `docs/datasheet_PCM5102APWR.pdf` | схема модуля ЦАП и даташит PCM5102A |