??? 摘? 要： FPGA是一種高密度邏輯器件。與通用的MCU相比， FPGA具有并行數(shù)據(jù)處理特性。利用該特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速A/D的采樣控制；同樣， 使用FPGA對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，能夠達(dá)到比DSP芯片更高的數(shù)據(jù)處理速度。?
????關(guān)鍵詞： 采樣；MCU；FPGA
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??? 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常常需要采集各種模擬量信號(hào)，并對(duì)它們進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理。在很多情況下，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用普通MCU(如51系列單片機(jī)或控制型DSP)完成系統(tǒng)任務(wù)。由于MCU一般均采用指令處理結(jié)構(gòu)，要想達(dá)到高的處理速度相當(dāng)困難，一般速率不會(huì)超過(guò)MHz級(jí)。而FPGA具有高速并行處理的特性，采用FPGA控制數(shù)據(jù)采集可以達(dá)到很高的采樣速率。?
??? 數(shù)字信號(hào)處理的方式一般有兩種：一種是使用單片機(jī)或DSP等MCU，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)；另外一種是利用專用邏輯電路或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然有很大的靈活性，但受DSP或單片機(jī)性能及程序指令順序執(zhí)行的限制，難以實(shí)現(xiàn)高速、大規(guī)模運(yùn)算;而專用集成電路芯片或FPGA卻可以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)算速度，非常適合高速信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用。?
??? 鑒于此，可以采用FPGA來(lái)完成一個(gè)模擬信號(hào)的采集分析系統(tǒng)。現(xiàn)在用FPGA做信號(hào)處理使用的大多是比較高端的片子，價(jià)格都比較貴，像ALTERA的Stratix系列、XILINIX的Virtex系列等。考慮到成本，在本設(shè)計(jì)中嘗試使用ALTERA的低端FPGA來(lái)完成設(shè)計(jì)。?
??? 盡管ALTERA提供了很多關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的IPCORE，但使用是需要收費(fèi)的，而且費(fèi)用較高。通過(guò)自己編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理可以節(jié)省大量的成本，本設(shè)計(jì)就是采用這一方法。?
1 器件選擇?
??? 采用的FPGA是ALTERA的EP1C6T144C8，EP1C6T144C8有144個(gè)引腳，最多可使用98個(gè)I/O口，支持JTAG調(diào)試，AS、PS下載，內(nèi)有5 980個(gè)LES，總的RAM位數(shù)是92 160 bit，內(nèi)嵌有兩個(gè)鎖相環(huán)，四個(gè)全局時(shí)鐘，內(nèi)核電壓為1.5 V，輸出I/O口驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V，支持LVDS、TTL、CMOS等電平傳輸。采用的配置芯片為EPCS1。這是一款低端的FPGA芯片，具有較高的性價(jià)比。?
??? A/D采樣芯片是TLC5510，這是一款高速A/D采樣芯片，它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A／D芯片，能提供的最大采樣率為20 MS/s。由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。?
2 FPGA內(nèi)部電路?
??? FPGA內(nèi)部電路分為兩大模塊。?
??? (1)采樣控制：TLC5510的采樣控制引腳只有兩個(gè)，一個(gè)是時(shí)鐘端CLOCK，一個(gè)是輸出使能端
(低電有效)。根據(jù)TLC5510采樣控制的時(shí)序電路，芯片CLOCLK的下降沿采樣，經(jīng)過(guò)2.5個(gè)周期的延遲后，得到采樣結(jié)果，這時(shí)如果使能端有效，則數(shù)據(jù)送到輸出端，所以控制起來(lái)比較簡(jiǎn)單。但是要注意的是采樣時(shí)鐘和FFT時(shí)鐘之間的匹配。?
??? 根據(jù)TLC5510的采樣時(shí)序特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)采樣控制模塊時(shí)可以只控制采樣時(shí)鐘，而輸出始終使能，就能夠完成采樣控制。?
??? 控制FPGA內(nèi)部RAM的寫入時(shí)鐘，當(dāng)完成一次采樣后，將TLC5510數(shù)據(jù)端的數(shù)據(jù)取走，這樣就完成了采樣到寫入的過(guò)程。?
??? 分頻模塊將時(shí)鐘分到和系統(tǒng)時(shí)序相適合的時(shí)鐘。采樣控制電路將采樣結(jié)果由八位變?yōu)槭唬嫒隦AM中。?
??? (2)FFT模塊：設(shè)計(jì)中的FFT模塊實(shí)現(xiàn)的是256點(diǎn)的定點(diǎn)FFT運(yùn)算，采用基-2頻率抽選法，圖1為8位算法的流程示意圖，256點(diǎn)算法與其類似。?
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??? FFT模塊主要包括四個(gè)單元：蝶形變換單元，地址發(fā)生單元，RAM塊選擇單元（其中包括旋轉(zhuǎn)因子表），時(shí)鐘控制單元。圖2為整體電路結(jié)構(gòu)。?
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??? ①蝶形變換單元：在蝶形變換電路中，最為核心的就是乘法器和加法器，可以通過(guò)對(duì)QUARTUS的宏單元的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，也可以自己編寫乘法器，利用Verilog的for語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)16×16無(wú)符號(hào)乘法器的部分原碼如下：?
??? always@(data1，data2)?
??? ? begin?
??? ? data_out=32′d0;//初始賦0?
????for(a=5′d0;a<=5′d15;a=a+5′d1)?
??????? if(data2[a]==1)?
??????? data_out=data_out+(data1< ??? ? end? ??? 蝶形變換的輸出寫入RAM作為下一級(jí)變換的輸入。? ??? 圖3為蝶形變換單元電路。? ? ? 圖3? 蝶形變換單元電路圖 ? ??? ②地址發(fā)生單元：這個(gè)單元的編寫具有一定的靈活性，在編程過(guò)程中采用的編寫方法不同，綜合出來(lái)的電路使用寄存器數(shù)量也不一樣。地址發(fā)生單元總共有八級(jí)地址。第二級(jí)地址發(fā)生單元的部分原碼如下（圖4為第二級(jí)地址發(fā)生單元仿真結(jié)果）：? ? ? ??? always@(posedge clk)? ??? begin? ? ? ??if(a3==1′d1)? ??????? begin? ??????? ? a3=1′d0；//參數(shù)a3控制RAM數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)因子表數(shù)據(jù)時(shí)序配合? ??????? ? case(a2)//地址分為兩大塊塊，分別為前后128個(gè)數(shù)，參數(shù)a2控制這兩塊的啟動(dòng)? ??????? ? 1′d0:begin? ??????????? if(a1==8′d63)? ??????????? begin a1=8′d128；a2=a2+1′d1；addr1=a1；addr2=7′d0；end? ??????????? else? ??????????? ? begin a1=a1+8′d1；addr1=a1；addr2=addr2+7′d2；end? ??????????? end? ??????? ? 1′d1：begin? ??????????? if(a1==8′d191)? ??????????? ? begin a1=8′d0；a2=1′d0；addr1=8′d0；addr2=7′d0；end? ??????????? ? else? ??????????? ? begin a1=a1+8′d1；addr1=a1；addr2=addr2+7′d2；end? ??????? ??? end? ??????? ??endcase? ??? ? ? ??end? ??? else? ??? ? begin a3=a3+1′d1；addr1=addr1+8′d64；end? ??? end? ??? ③RAM塊選擇單元：FPGA上含有4KB RAM塊，可以使用三組RAM塊實(shí)現(xiàn)流水線(這里命名為RAM1，RAM2，RAM3）。時(shí)序開(kāi)始時(shí)控制單元將采樣結(jié)果寫入RAM1，F(xiàn)FT單元運(yùn)算RAM2中數(shù)據(jù),輸出控制單元將上一次的FFT運(yùn)算結(jié)果輸出。當(dāng)整個(gè)電路完成一次采集分析后，啟動(dòng)RAM選擇模塊，三組RAM的控制單元進(jìn)行輪換，采樣電路將采樣結(jié)果寫入RAM3，F(xiàn)FT運(yùn)算電路則使用RAM1，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而數(shù)據(jù)輸出電路控制RAM2將FFT的結(jié)果輸出。如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)。下面是其中RAM選擇單元的部分代碼：? ??? always@(posedge f or posedge star)//f上升沿表示一次FFT完成? ??? ? begin//開(kāi)始啟動(dòng)信號(hào)和FFT完成信號(hào)共同控制選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)? ??????? if(star)? ??????? a2=2′d1；? ??? ? else? ??????? if(a2==2′d2)? ??????? a2=2′d0；? ??? ? else? ??????? a2=a2+2′d1；? ??? ? end? ??? //下為控制轉(zhuǎn)換參數(shù)控制選擇? assign data_out1=(a2==2′d0)?data1:((a2==2′d1)?17′d0:((a2==2′d2)?data3:17′d0))；? assign data_out2=(a2==2′d0)?17′d0:((a2==2′d1)?data3:((a2==2′d2)?data1:17′d0))；? assign data_out3=(a2==2′'d0)?data3:((a2==2′d1)?data1:((a2==2′d2)?17′d0:17′d0))；? assign q_out1=(a2==2′d0)?q1:((a2==2′d1)?q3:((a2==2′d2)?q2:17′d0))；? assign q_out2=(a2==2′d0)?q2:((a2==2′d1)?q1:((a2==2′d2)?q3:17′d0))；? ??? ④時(shí)鐘控制單元：這個(gè)單元主要是一些時(shí)鐘分頻電路，控制整個(gè)電路的時(shí)序，不同模塊單元之間啟動(dòng)的時(shí)序不一樣，時(shí)鐘頻率也不相同。在編寫時(shí)鐘控制單元時(shí)，最主要是實(shí)現(xiàn)各模塊時(shí)序配合，以防止出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。? ??? 除了上述幾個(gè)主要的模塊單元外，還需要生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子表。旋轉(zhuǎn)因子表可以有多種生成方法，考慮到芯片資源，本設(shè)計(jì)選擇使用MATLAB生成旋轉(zhuǎn)因子表，通過(guò)調(diào)用兆函數(shù)，將生成的旋轉(zhuǎn)因子表固化到FPGA的ROM中。? ??? 當(dāng)整個(gè)FFT模塊數(shù)據(jù)處理完之后，就可以逆序輸出。? ??? 設(shè)計(jì)完成后，可以在RAM塊中初始化數(shù)據(jù)得到仿真結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步檢驗(yàn)，圖4(b)是在RAM中初始化一個(gè)數(shù)據(jù)表后的FFT模塊仿真結(jié)果(q1實(shí)部，q2虛部)。? ??? 圖5為MATLAB仿真，與QUARTUS仿真結(jié)果相比較，可以看到結(jié)果吻合地相當(dāng)好。? ? ? 3 速度分析? ??? 系統(tǒng)采用單乘法器結(jié)構(gòu)，使用鎖相環(huán)倍頻時(shí)鐘作為總時(shí)鐘輸出，當(dāng)總時(shí)鐘為200 MHz時(shí)，完成一次FFT處理的時(shí)間為21.4 μs，4 278個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，在流水線作業(yè)下，可以完成A/D采樣速率高達(dá)12 MHz的數(shù)據(jù)處理。? ??? 本設(shè)計(jì)使用芯片邏輯資源的的77%，近4 600個(gè)邏輯單元，還使用了約39 000 bit的RAM。實(shí)驗(yàn)證明，用低端的FPGA產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高速采樣控制和FFT處理是可行的。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中只要采用較好的設(shè)計(jì)思路，控制好寄存器的數(shù)目，便可以在芯片允許的資源范圍內(nèi)達(dá)到所需要的信號(hào)處理目的，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。? 參考文獻(xiàn)? [1] 吳繼華.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）.北京：人民郵電出版社，2005.? [2] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.? [3] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
