（通信与信息系统专业论文）基于fpga的数据处理与传输系统研究.pdf

硕士论文寨于fpg a的数据处理与传翰系统研究 ab s t r 日 ct wi th触 侧 义 。 n 。 c o offpg a ( fi eld p r o gr 肚 吐 叨 b 比c a 比a 打 a y ) ， 吮 钧 理 祀ofiis adv ad ta g e s ，洲 比 as hi gh d e n s i ty ，s m a u s 七 竖 ，i n 1 代 u l tp 叼ra m rnab 撼 助ds h o rt d e ， . 】 o p m e n t c y c l e ， f p g aism o r e 朗 d 习 口 o r e a ， a i 助址ind at a 别 月 u l sition 助d p r oc e s s 1 d g syst e m. f i r s t ， the d 川 以 a equ l s iti on an d p r 以 笼 s s i n g s y st e mwi ththe p 爬 s ent con d i l i 呱 exi s 加 时 p r o b !细 胡 dd e v e 】 叩m e 川饥n d眼 加 加 月 切 戈 dinl 场 s pape r 硬 丁 五 i s d al 泊p r o c e s s i n g and 廿 即 匀 刀 i s si on sy st e m留es alt e ra c o rpo 咧i on、fpg aas the c e n tl a l p r o c e ss or ltis 叨m 伪 s edofd a taa 明 u 皿 s i t i o n m odu 】 e ， . 理 口 山旧 n o usf i f 0m odu l e ， d m acon tr o l m odu 贻 ， f f t pro ce ssing modul。 面 d b 拙 pc1 04 m odu l e . t b e 田 坦 1 0 9 51 即alisc a p t u 代 d an d th e 。 con v e rt edto the di gi 回 51 91 扭 l by a dp 找 沁 七 s sor a d 16 72. dig i tal si gn目iss e d t tothe ” y n c hr o n o usf i f ob 心改 ， 胡d 比 比tof f f pr o ces s l 鸣 m 闻 u l e todo f f t . a ft e r b e in g p r o ce s s e d by f ft， 此 山妞inf if oc an切 粗 5 而t 协b usp cl04 us i ngd m 人mo de . all the sy s l e mis m 目 e inthe fo nn ofe x t o n d edcard ， w h i cbcan bep lugg edin 1 d p cl04s lol on th e 别 ， ft w 出 忿51 奴 山 e o v 。 幻 1 业51 邵 ofth e 即 ft w 眼 15川 a n 刀 ed 五 mthe s y s 妞 m 加 n c t l o nsre al 坛 in g po政 ofvi ew， t b e c h o i “ofm o d u 】 越 让 成 l o n desi gnm e t h edln ak e s 俄 h p art ofs o ft w ar e 助 d h 盯 d w ar e r e al i zean d 峋时 m o 传栩115. 丁 七 。 s y s t e md e s i gn 朋 d 此 i mp l eme n t a t i o n k e y 卿bl em 眼 助目 y 留 d d e e p l y in如s p a per . a n e r syste ma n a ly si s， c hip c h o i ee ， so n w 剐 吧朋dh aj 月 w ar e d e s i gn andp r o gr 田 nd e b uggi ng， 奴 。 v e 司i sy s te m is 如p l 助即t e d ， 明 d 此 胡t i c i p 川 e d g o 日15 肚 h i e v e d ， ke y 钾 0 川o al 比 p r oce ss in gfp g a ， fft，f ifo 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发 表或公 布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 了 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明 确的 说明。 研 究 生 签 名 违峻 拜 一 - 介 年7 月，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的 部分或全部内容，可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : - 知峨.一口 7 年7月夕日 硕 士 论文墓于f p o六的数据处理与传输系统研究 1 绪论 l l 论文选题背景 计算机技术在飞速发展， 微机应用日 益普及深入， 在通信、自 动化、 工 业自 动控 制、 电 子测童、 信息管理和信息系统等 方面 得到广泛应用。 在冶金、 化工、 医学和电 器性能测试等许多应用场合需要同时对多 通道 快变的 模拟信号 进行采集、 预处理、 暂 存和向上位 机传送， 再由上位机 进行数 据分析 处理、 自 动报表生成、 信号 波形显示和 输出 打 印 等 处 理 1， 叱 随着大规模集成电 路技术的 迅速发展， 微处理器、存储器、 输入/ 输出等外围 接 口 器件的性能 不断 提高， 体积 越来越小: 价格越来越低， 使数据采集处理器不断向 智 能化、 小型 化发展， 智能化仪 器的 研制己 经成为当 今研制的主要方向。 模拟仪器存在 输出 动 态范围小， 精度低、 信号不可记录等缺点。 在模 拟电子技术领域中， 由于使用 了 包括模数 转换器件在内的数字 器件， 因 而在精度、 简化电路结构、 灵活、 方便等方 面取得了很 大的 进步。 模拟技术和数字技术混合运用以 综合发挥两者的优势是电 子技术发展的必然趋 势。 而且 微处理器价格越来越低， 功能 也不断增强， 以 数字化仪器为主的数据采集处 理技术越来 越广泛地应用于工 业过程控制及实时观察工业生产的动态及趋势。 传统获 取现 场数 据的方 法效率低、 误差大、 难以 输入计算机。 而 数据采集处理器是一种具有 现场实时数 据采集、 处理功能的自 动化设备， 它具 备实时采集、 自 动存储、 即时显示、 即时反 馈、自 动处 理、自 动传输等功能，为 现场数据的 真实性、 有效性、即 时性、 可 用性提供了保证，并能方便的输入计算机，已 广泛应用在工业、农业、商业、交通、 物流、仓储等行业. 数 据采集与 处理系统的 任务， 就是采集传感器 输出的 模拟 信号并 转换成计 算机能 识别的数 字信号， 送进计算机处理、 存储、 传输和显示，以 便实 现对某 些物理量的监 视:其中一 部分数据还将被生产过程中的计算机控制 系统用来 控制 某些物 理量。 随 着计算机技术的飞 速发展和普及， 数据采集与处理系统也迅速地得到应用。 在 生产过 程中， 应用这一系统可对生产现场的工艺 参数 进行采集、 监视和记录， 为 提高 产品质量、 降低成本提供信息和手段。 在 科学研究中， 应用数据采集与处理系 统可获 得大量的动态信息， 是研究瞬间物理过程的有力工具， 也是获取科学奥秘的重要手段 之一。 总 之， 不论在 哪个应用领域中， 数据采集与处理越及时工作效率就越高， 取得 的经济 效益就越大。 数据 采集与处理系统性能的好坏， 主要取决于它的 精度和 速度。 在保证精度的 条 件下应有尽可能高的采样速度， 以满足实时采集、 实时处理和实时控制对速度的要求. 硕一1 : 论文基于fpo a的数 据处理与传轴系统研究 l z 数据采集与处理系统 1 工1 发展现状 数据采集器的研制在国 外己 经相当成熟， 而且数据采集器的种 类不断增多， 性能 越来越好，功能越来越强大。 比 如美国 f l u k e 公司的 2 6 2 x a 系列数据采集器是一种小型、 便携、操作简单、 使用灵活的数据采集器， 它可以单独使用， 也可以 和计算机连接使用。 它具 有多 种测 量功能， 多种数据存储方式和多种控制方式。 2 6 2 x a 共有21路模拟输入通道， 可直接 测量电 压、电 流、温度、频率和电阻等， 8 路数字 输为输出 可用于 数字信号的处理， 另外 4 路用于报警输出。当 某个模拟通道的输入信号 超过了 设定 报警限， 在对应的 f 0 口 就输出 一个低电平， 每个模拟通道都可设置两 个报警限 “ 飞 2 6 2 x a 系列 有两种扫描速 度: 月 通道/ 秒( 慢) ， 17 通道/ 秒( 快) 。 仪器可使用90一 2 64v 交流电 直接供电 ，也可使用乡 1 6v直流供电。 交直流电 源还可同 时使用，断电时 可自 动切换至直流。 rs2 32接口 为标 准配置， 可用于向 计算 机传输数 据和控制。 采集的 数 据可随时通过接口 打印， 也可将数据 用rs2 32接口 传至计算机。记录的数据包括: 通 道号、 测量值、 时间、 报警状态、累加计数等。数 据格式与l o t us、 e x c e l 相兼容。 262 x a 系列还具有很多其它功能: ( d m x 十 b :比例变换 ( 每个通道)， 可进行数据规一化处理。 (2) 前面板锁定: 防止其它人员意外 触动前 面板按键。 (3) 外部触发: 利用外部触发信号来启 动仪 器。 ( 4 ) 累加计数: 进行计数统计。 (5) 内 部时钟: 记录的 数据具有时间 标记。 美国思泰克科学公司前不久推出一种新一代的数据采集器edl( e m o n i t o r d 对 浦n e) ， 该仪器技术先进、 功能齐全， 并 可以与 恩泰克p m软 件d o s 版及e f m窗口 版的多 种软件完全配置 使用。 美国 尼高力 仪器技术公司的 2 700 型数 据采集器， 完美 地 将数 据记录仪、 程控开 关与 数字表的 优势集于一身， 是一 款高 精度、 多功能、 使 用方 便的多路数据采集器。惠普公司hp3 4 970a型数据采集器具有6/ 12位分辨率，0. 0 0 4 % 基本直流准确度和高达250 通道/ 秒的 扫描率， 非易失性存储器可 保存多达5 0 0 00个带 有时间 标记的 读数， 可测包括直流电 压、 交流电压， 由热电偶、 r t d 和热敏电阻 提供 的 温 度 、 2 线 和 4 线电 阻 、 交 直 流电 流、 频 率 和 周 期 。 恩 泰克 切叨00 州 3 00 现 场独 立的 智能数据 采集器是一种独立的 数据采集系统， 它可采集大量来自 各种各样传感器的 静 志 的 或 者 动 态的 信 号。 logb。 。 k 想 0 0 内 有 一 个 p c 插 卡 槽 ， 可 插 入 固 态 存 储 器 卡 或 硬 盘 驱动器。主要特点如下: ( 1) 16 通道单端/8 通道差 分模拟输入，可扩 展到2 56通道。 2 硕 士 论 文基于f p g a的数据处理与传输系统研究 ( 2 ) 采样速率为1 0 0 班 七 ，分辨率为1 6 位。 ( 3 ) 程控增益:1 ， 2 ， 4 ， 8 ， 1 6 ， 3 2 ， 64. ( 4 ) 输入范围: 单极性: 2 0v， 1 0 v ， s v ， 2 . s v ， 1 .2 5 v ， 0 二s v ， 0 . 3 1 2 s v . 双极性: 士 1 0v， 土 s v ， 士 2 . s v ， 士 1 .2 5 v ， 士 0 . 6 2 5 v ， 士 0 3 1 2 5 v， 士0. 1 5 62 5 v. (5) 连接方式: rs一 3 2 、并行口 ， 可选rs礴 2 2 1 4 8 5 接口。 ( 6 )输入阻抗:单端s mqi 差分1 0 mq。 ( 7 )精度:士 0 . 0 0 5 %f s 。 ( 8 ) 触发方式:模拟触发、 t t l 触发、 软件触发。 (9)通道数:4 通道、1 2 位模拟输出，24通道数字刀 0 ，可扩展到192 通道。 与 d b k 系列的信号调理配接， 可测量电 压、 电 流、 应变、 热电偶、 热电阻、 振动、 加速度、频率等，也可具有同步采样、抗混滤波、高压隔离等性能。在d o s 、 win d o ws3 . 1 /9 5 /9 8 加t / 2 0 0 0 环境下实 现数据采集、 图形显示、 数据存储及回 放等功能， 并提 供c i c +， b o l and c lc十 + ， q u i c k b asic ， t 时 比队 s c a l ， v l s ua 1 b as ic ， d a s lab驱动。 在国内，由于数据采集技术不断发展， 市场上出现了各种新型的数据采集器。 例 如北京 凯文斯系统集成有限责任公司e16 系列 e p p 并口宽动 态范围的高精度数据采集 器，数 据通道最大可以 达到16 个 ( 单端)， 可编程增益为1 、 2 、 4 、 6 、8 位， 采样最 高频率决定于微机的c p u及处理速度，一般为6 0 一 80k i 比 。北京测振仪器厂研制的 h z 一 9 6 0 9 数据采集器/ 振动分析仪， 它采用中 文显示， 直观醒目 ， 操作简单方便; 采用 先进的微电脑技术，工作可靠;采用高性能电池，体积小，重量轻，便于现场使用， 采用频谱分析技术和故障诊断技术， 是进行数据采集、 完成设备状态分析和故障诊断 的得力助手。它可以与微机通讯，建立设备状态数据库，可测量振动信号的加速度， 速度和 位移，还可测量电压信号和转速信号， 采样频率为1 地 一 1 0 k h z 。大洋科技发 展有限公司的 模块无纸记录仪 输入 通道有1 、 5 、 10、30几种， 存储容量为1 3 6 5 0 个数 据， 精 度优于0 . 1 5 % f s 。 总之， 经过对国内外现有数据采集行业产品的性能、 价格、功能的了解， 其概况 如下: ( 1) 国 外的 数据采集器精度高、 采 样速度快、 功能较全，但价格较为昂贵。 ( 2 ) 体积较大， 操作复杂， 或者需配笔 记本电 脑。 (3) 采用lcd 显示和键盘输入功能，带 打印 功能。 ( 4 ) 采样频率和采样精度两者不能很 好的 统一。 ( 5 ) 前端可编程增益控制范围较小 ( 一般在16倍以下)。 ( 6)国内 数据采集器的 采样精度较 低， 一般为0 .2 % 11 刀 。 硕士论文 彗于即c a的数据处理与传输系统研究 1 么2 存在的问 题 以前的 控制器一般采用单片 机， 而单片机已从 月 位、 9 位、 16位在向 32位 发展， 对 大多 数场合来说己 经能 满足要求了， 因为单片 机也有许多优点， 如价格低廉、 结 构简 单、 接口 扩展能力强。 但有个很明显的缺点就是数学 运算能力差， 它可以 应用 在一些 对采样信号数学处理较为简 单的 领域， 而在一 些对信号的数学处理比 较复杂的 领域来 说，单片机就显得力不从心了，如通信领域和复杂控制领域等等。 另外在和上位pc 机之间的数据传输方面，以前的数 据采集处理卡一般都通过系 统总 线， 也就是f o 通道总线、微型计算机总线或板级总线 和上位机pc系统、 插槽上 的 各扩充板卡相连， 它是微型计算机最重要的 一种总线。 一般 谈到微型机总 线， 就是 指这种总线。 一般有以下几种标准: p c i ， isa ， e i s a 等，其数据地址不同，以 适应 不同的 应用系统。 虽然它们的 传输速度比 较快， 分别为1 32m 产 5 ，1 6 h 5 ， 32 、 灯 5 ， 但 由于 pc接口资源有限且需要对接口 卡的硬件资源 ( f o 地址、内 存、 中断、 d m a ) 进 行合理的配置， 因此 扩展难度很大。 为了 解决功能 扩展接口 、 插卡最头疼的 配置问 题， 九十 年代推出了 即插即用接口 卡标准 ( p c i 和is ap n p ) ， 由即 插即用基 本输入 输出 系 统和即 插即用操作系统， 完成 对接口 卡资源的自 动配置， 以使功能 扩展 接口卡的使 用 变得 相对简单方便。 但功能扩展接口卡仍存在以下问题: 第一， 接口 卡的配置必须停机， 并需打开p c 机箱进行安装和拆卸， 这个 过程仍需要一 定层次的 技术支持。 即 插即 用技术的 采用只 是降 低了 功能扩展卡的技术需要程度， 这对 p c 这 样广泛运用的 工具而言仍显不足: 第二， 接口 卡设备驱动程序的 安装、调试甚至正常运 行的 过程仍需要各种技术支持， 特别 是接口 插卡作为一种硬件设 备插入 pc 后，总要占 用pc的各种硬件资源，即 插即 用算 法虽能 解决 绝大多数资源配置， 但不能 保证1 0 0 % 的 解诀。因此， 其安装和配置 过程仍需要人工干预。 当扩展 卡较多时， 常会出 现一 块或多 块插卡因 无法合理配置 而 不能正 常工作的情况， 严重时 可导致系 统崩溃; 第三， 接口 插卡的质量高低、 兼容性 和标准性的程度以及驱 动软件的可靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性即 可 靠性; 第四， 对像笔记本之 类的小体积 pc 很难用 接口 插卡进行扩展; 第五，pc插槽 中的各 种接口 卡受到 p c 内 部强的射频千扰， 使其 性能受 到很大影响，除非接口 卡是 全数字化的。 1 2 3发展趋势 由于 一般的 数据采集与处理系统存在上面诸多问 题， 因此采用a r m 3 2 位嵌入式 微处理 器作为控制器、 采用u s b( 通用串 行总线) 和上位机连接将是以 后数据采集与 处理系 统的一种发展趋势四。 硕 士 论 文基于 f p g a的数据处理与传输系统研究 i j论文的 工作和 任务 数据采集与处理系统广 泛应用在测量、自 动 控制等各个领域。 在基于 p c 机的 测 试系统中， 首先要进行数据采集， 然后对获得的数据进行测试或处理。很多厂商推出 了各种 通用的 数据采 集卡， 只要在其前端接上 传感器， 后端加上数字信号处理部 分便 可以 使 用. 这些 数据采集卡虽 然使用方便， 但价格也很高， 并且不一定满足具体 测试 过程的 要求。 随着微机总线的 不断发展、 核心器样的不断改善和可编程逻辑器件的不 断发展，为自 行研发高 性能的数 据采集与 处理卡提供了 条件。 本设计的具体工作如下: ( 1) 了 解数据采集与处 理系统的发展以 及前景。 完成数据采集处理板a 心转换、 电源转换及存储电路的部分设计。 ( 2 ) fpo a 部分的设计是本设 计的重点。在了 解cpl d /f p g a 的发展 情况、 内部 结构以 及设计、 开发方法的同时， 根据系统中 数据处理部分的实际情况， 选用合适的 f p g a 芯 片。 ( 3) 研究f f t 的各种算法和原理，选用适合本系统的 方法， 完成32 位、1 024 点 的 f f t 运算，完成该模块的 设计和 验证. (4) 完成数据缓存模块的 设计 和仿真。 本系统采用的是双f if o 乒乓操作的 缓存 结构。 ( 5 ) 完成数据采集、 处理的控制 和传输 模块的 设计。 正是基于fpg a的诸多优势，本设计采用了a 无 t e r a公司s tr 出 l x 系列的 ep l slo f48 4cs 作为本系统的核 心部件， 完成 f f t 、f if o 以 及采样、传输控制电 路的 设计， 并使其 模块化， 简化了电 路， 使整个系统面 积小、 功耗低， 提高了电路的 可靠 性，有效地完成了设计任务。也对本项目的实施起了重要作用。 硕士论文基于f p g a的数据处理与传输系统研究 2 数据处理与传输系统的 硬件设计 2 . 1 概述 本数据处理与传输系统基于嵌入式的系统平台，用于数据的采集、分析、处理。 整个系 统主要由 v x wo r k s 实时操作系统的嵌入式平台控制数据采集处理板的 1 心 操作。二者通过p c 1 04总线传输数据。 pc l 04总线是从isa 总线衍生而来的， 主要是为了 适应嵌入式系统的需要。 在8. 89 。 m(3.5in ) 和12.7 帅 (5运 )工 控主板中， 大多使用p c 1 04总线作为标准接口 总线。 p c 1 04总线共有1 04根引 脚， 其中 绝大多数与ls a 总线信号 特性完全一致， 只有极个别 的信号 有区 别，因 此在应用中完 全可以 按i s a 总线使用. 整个数据处理系统由 信号采 集部分、采集时钟发生器、 f i p o 、内 部总线控制、 d m a 逻辑电 路、 输入数据的 f f t 处 理模块等部 分组成。 其中 f p g a 部分主要完成采集 时钟发生器， . f i f o ， f ft的处理部 分，以 及d m a 的请求和控制。 系统的原理图如图2 。 l i 所示: 图2.l i数据处理与传输系统原理图 系统的信号 采集模块主要由 信号收集器和 a d 转换模块进行。 输入的模拟 信号 经 过n e 5 5 34放大电 路放大后， 进入a d 转换电路。 图 2 . 1 ， 1 中 ， l f r 和 k 组 成带 宽 为 凡 /2 ( 其中 k，.为 最 高 采 样频 率) ， 增 益为 “ 1 ”的 低噪声视频隔离放大器，系 统自 设i o m h z 的晶振， 通过分 频器设置的 不同， 可以提供不同的采样频率。 本设计中的采样率设定为i mh z 。系统触发方式有两种，一种是程序触发，一种 硕士论文 基于fpg a的数据处理与传输系统研究 是外部 触发，并 提供 户 以 d 转换结束 状态， 供主控查询或中断 控制， 2. 2数据处理板模 拟部分设计 2 :2电 源模块 本系统中， 采用的模拟电 压为+lzv和， 1 2 v ， 数字电压为 十 s v 和 一 s v ， 通过u a 7 8 0 5 完 成+lz v 至+5v 的转换，通过u a 7 9 05完成一 1 2 v 到一 s v 的转 换。 土1 2 v . 士s v电源转换模块的原理图如图2. 2.1 1 所示: 盯 1 勺岛 卫 门竺 困 公 图2. 2 l i士1 2 v . 上s v电源转换 模块 数字部分 采用的电 压主要有sv、 3 .3 v 和1 . s v ， 其中3 3 v 供 给f p g a ， 1 5 v 为 fpg a 的内 核电 压。 线形 稳压芯片是一种最简单的电 源转换芯片， 基本上不要外围元件。 但是传统的 线形稳压 器都要求输入电 压要比 输出电 压高 z v 到3 v 以 上，否则不能正常工作。但是 s v 到 3. 3 v 的电 压差只有1 . 7v ， 所以 很多器 件都己 经不能 够满足3. 3 v 或 2. 5 v 的电源设计 要 求 。面 对 这类 需 求 ， 许 多 电 源 芯 片 公 司 推 出了 1 习 w dro 卯 u t r e g ” iator ， 即 : 低 压 差 线形稳压器，简称ldo 。这种电源芯片的压差只有1 .3 v 刁 z v，可以实现s v 转 3 .3 v 1 2 .s v ， 3 3 v 转2. 5 v/1 .s v 等要求。 生产 l d o 的公司很多， 常见的 有: a l p h a ， l i幻 e ar ( l t )， natio n a 】 s e 功 卫 加。 d u c t o r ，n等。 a s 2 83 o 是一个很好使用的低功耗低压 差线形稳压器， 输出电 流为3 a ， 输出电 压 可调整为1 .s v ， 2. 5 v ， 3. 3 v 和 s v 。 它只需要两 个外 部电阻 来确定输出电压。 a s z 幻 0 在需要 提供低压差和快 速瞬态响 应的 低电 压场 合有着广泛的 应用， 如在对低电 压微处 理器的 供电 方面。 a s 2 8 30的特点是 最大的 低压差只 有1 . z v 。 a s283 0 提供了 过流限 制以 及对 颠倒极性、反向 插入负载、 瞬时正负电压的完全 硕士论文 基于f p g a的数据处理与传输系统研究 保护，芯片上的补偿措施可调整参考电压至1 %。器件的静态工作点电流流入负载， - 提高了 工作效率23 1 。 本设计中 s v -3 .3 v 和s v 一 1 . s v 的转换可以由 a s 2 8 o 3 一 3. 3 和a s 2 83压 1 . 5 完成。 转 换电 路非 常简单， 如图 2. 2 . 1 . 2 所示。 只需使 用as2 8 0 3 一 3. 3 和a s 2 8 3 0 一 1 .5 ， 相同的电路 接法， 就可以分别得到3. 3 v 和1 . s v的输出电压。 v 仪欢 8 3 0- 3 。 3 8 3 1 。 5登 : 爵 图2 二. 1 .2 3. 3 vi . s v电压转换电路 2. 2 .2a d转换模块 a d 转换芯片采用了美国a d 公司的a d1 672 芯片， 它采用4 级流水线闪烁式模数转 换结构， 又称并行式模数转换结构。 单电 源工作， 1 2 位分辨率， 3 ms p s 采样速率. 片 上含有4 个高性能采样保持放大器 (sha )和4 个闪烁式a d c 及电压基准。它采用4 级 流水线结构， 输出带 有误差 修正逻 辑电 路， 并采 用bic m o s 工艺， 从而保证在3 m s p s 采样速度下具有12 位精度，在整个工作 温度范围内不失 码。由于 a d 1 6 72输入 s h a 具 有快速建立特性， 所以它既适合从负 满度到正满度电 压逐次切换的多通道系统， 又适 合输入频率高达奈奎斯特速率的 单通道采样。 a d 1 6 72具有宽频带输入、 单电源供电、 低功耗和低价格等特点， 非常适用于通信、 图 象处理 和医 疗设备新电 路设计。 a d 1 6 72 采用 28脚p l c c 封装， 工作温度范围 为湘 +8so c i241. 输入的模拟信号经过n e 5 534 的放大后，进入a d 1672进行a d 转换。采集部分的 输出数据为12位的补码形式。 数据放大部分 和a d 转换部分的 原理图 如图 2. 2. 2 . 1 所示。 硕士论文 基于fpg 人的数据处理与传输系统研究 月 公 口 . 困 ， 刀 七 口 吐目 令，州例冬 石. 口. 一，幼艺巴 .月.匕，.-一呻 一 ul 队 图 2. 2 么1放大及 a d转换部分原理图 两片74h c 3 74完成补码扩展的 功能， 经补码扩展 后， 输出为 标准1 6 位的二 进制 补 码。 a d = 勺” 时， 进 行数据采集， 采集到的数据送入 f ft模 块进行1 024 点的 f 盯运算。 运算完成后，结果经p c 1 04总线向 pc 机进行d m 人传输。 此外， 系 统设 置了 两片 控制寄 存器， 一片用于读， 一片用于写。 用于控制 数据的 采集以 及主 控计算机的d m 人 数 据快速传输。 控制寄 存器内的信号介绍将在后面的数 字部 分， 结合fpg a 各 模块进行介绍。 2 么3工作状态的 指示部分 系统设 置了 六个发光二极管， 用来指示整个采集系统的工作状态。 如图 2. 2. 3 1 所 示 硕士论文基于fpg a的数据处理与传输系统研究 图2. 2.3 . 1系统工作状态指示部分原理图 所指示的六个信号为: inc l k : a d 采样时钟。 re s e t: 系 统复 位信号。 t r i g : 系统触发 脉冲。 e r r : 错误 信号。 d e l a y :延时信号。 d a t a t r : 数据传输指示信号。 通过这六个发光二极管的亮灭 情况， 可以 直观的反映系统的工作情况。 这里要说明一下的是d e l a y 信号.系统中设定了这个d e l a y 信号，用来表示触 发后的延时。 整个数据处理与传输系统有程序触发和外部触发两种方式， 系统设定在 程序触发或外部触发后，要经过一个1 0 0 m s 的延时，再进行数据的采集。这个l oolns 可以 通过系统自 带的i o m h z 晶 振经 过1 / 10 0 00分频器再经过一个100 的计数器获 得。 在 系统中， 如果i o r 早于i o c sl6 ， 也就是uo的读信号早 于阳 1 6 位允 许信号， 则会发生 高 位不能 读取的 情况。 通过d e l a y 信号可以避免 这种情况的 发生。 系统的 控制寄存器部分 将在后文， 结合 fpg a 部分的控制模块进行介绍。 整个数据处理板的数字 部分主要由 f p g a 完成。系 统中 采用两 个fi f o 模块， 对输 入的数据进行乒乓操作， 数据经缓存后进入 f f t 处理模块进行1 0 24点的 f fr运算，运 算结果经d m a 传输至p c 机。 f p g a 主要完成 fi f o 模块、 f ft模块、 以 及一些控制信号 的设置和转换.这些将在后面的章节中分别介绍。 硕 士 论 文墓于f p g a的数据处理与传输系统研究 3 可编程逻辑器件 f p g a 与c p l d都是可编程逻辑器件， 都是在p a l 和g a l 等逻辑器件的基础上发展 起来的。与以往的p a l 和g a l 相比较，fpg a/c p l d 的规模更大，它可以替代几十甚 至几千块通用集成电 路芯片。 这样的 fpo 习c pld 实际上就是一个子系统部件， 这种 芯片受到了电 子工程设计人员的 广泛关注和普遍欢迎。 本章对 fpg a 和c p ld 的 基本结 构、应用和设计流程进行了分析。 3.1 碑 g ajc p l d 简介 在 数字化、 信息化的时代， 数字 集成电 路应用的非常广 泛. 随 着微电 子技术与 工 艺的发展， 数字集成电路从电子管、 晶体管、 中小规 模集成电路、 超 大规 模集成电 路 ( v l si c )逐步发展到今天的 专用集成电 路 ( asic) 。 a sl c 的出 现降 低了产品的生 产成本，提高了系统的可靠性，减小了产品的 物理尺寸，推动了社会的数字化进程。 但是a si c 因 其设计周期长，改版投资大， 灵活性差等缺陷制约了 它的 应用范围.硬 件工程师希望有一种更灵活的设计方法， 根 据需 要， 在实验室就能设计、 更改大规模 数字逻辑， 研究自 己的 a si c 并马上投入使用。 这就是可编程逻辑器件提出的基本思 想。 可编程逻辑器件随着微电 子制造工艺的发展 取得了 长足的进步。 从早期的只能存 储少 量数据、 完成简 单逻辑 功能的 可编程只读存储器 ( p r o m) ， 紫外线可擦除只读 存储器 ( e p r o m)和电可擦除只读存 储器 ( eep r o m)， 发展到能完成中大规模数 字逻辑功能的可编程阵列逻辑 ( p a 工)和通用阵列逻辑 ( c a l)，今天已经发展成为 可以 完成超大规模复 杂组合逻辑与时序逻辑的现 场可编程逻辑器件 ( f p g a ) 和复杂 可编 程逻辑器件 ( c p l d )。随 着工艺 技术的 发展与市 场需要，超大规模、高速、 低 功耗的新型fpg ajc p l d 不断推陈出新。 新一代的fpg a 甚至集成了中央处理器( c p u) 或数字处理器 ( d s p) 内核， 在一 片fpg a 上 进行软 硬件协同设计，为实现片上可编 程 系 统( s o p c 一 s y s te m on pro邵 别 叮 m a b le c hi p ) 提 供 了 强 大 的 硬 件 支 持 【飞 3 .zfpg a和 c p l d的比较 f p g a/c p ld 既 继承了 a si c 的大 规模、 高集成度、 高可靠性的 优点， 又克 服了 普 通asic设计周期长、 投资大、灵活性 差的 缺点， 逐步成为复杂数字 硬件电路设计的 首选。当代 f p g ajc p l d 有以下 特点 15 : ( 1) 规 模越 来 越大 。 随 着 v l sl( v ery l ar gesc ai o ic ， 超 大 规 模 集 成电 路 ) 工 艺的 不断提高，单一芯片内部可以 容纳上百万个晶体管， f p g a 芯片的规模也 越来越 硕 士 论 文荃于f p g 产的数据处理与传输系统研究 大.单片逻 辑门己愈千万，如s tr 成 i xll 的 epz sl8 0 已 经达到千万门 的规模。 芯片的 规 模越大，所能实现的功能就越强，同时也更适于实 现片上系 统 (so c )。 (2) 开发过程投资小。f p g a/c p d 芯片在出厂之前都做过严格的测试，而且 f p g a/c p l d 设 计灵活， 发现错误时可直接 更改 设计，减少了投资风险， 节省了 许多 潜在的花费。 所以不但许多复杂系统使用 f p g a 完成，甚至设计 a s ic时也要把实现 fpg a 功能样机作为必要的步骤。 ( 3 ) fpg a/c p l d 一般可以 反复地编程、 擦除。 在不改变外围电路的 情况下， 设计 不同片内 逻辑就能实现不同的电 路功能。 所以， 用f p g a/c p l d 试制功能样机， 能以 最快的 速度占 领市场。 甚至在有些领 域， 因为相关标准 协议 发展太快， 设计 a si c 跟不 上技术的更新速度， 只能 依靠f p g ajc p l d 完成系统的 研制与开发. (4)fpg a p l d 开发工具智能化、 功能 强大。 现在， fpg ajc p l i ) 开发工具种 类繁多、 智能 化高、 功能 强大。 应用各种工具可以 完成从输入、 综合、 实现到配置芯 片等一 系列功能。 还有很多 工具可以 完成对设计的仿真、 优化、 约束、 在线调试等功 能。 这些工具易学易 用， 可以 使设计人员更能集中精力进行电 路设计， 快速将产品 推 向市场。 (5) 新型 fpg a 内 嵌c p u 或d s p 内 核，支持软硬件协同设 计， 可以作为片上可 编程系统 ( s o p c )的硬件平台。 (6) 新型f p g a 内部内 嵌高 性能 a s ic的 h ar d c o 正 。 通过这些h 留 dip ( 知识产 权)可以完成某些高速复杂设计，提高系统的工作频率与效能，减轻工程师任务量， 减少了研发风险，加速了研发进程。 fpg a 与 c p l d 的区别及联系如表3. 2. 1 所示 四。 表3. 2. 1即g a 、 c p l d的区别和联系 项目 f p g acp ld 备注 结构工艺 多为l u t 加寄存器 结构，实现工艺多 为s r a m ，也包含 f l a s h ，a n t i 一 凡s e 等工艺 多为乘积项，工艺 多为ez伽05，也包 含既p r 渊、f l a s h 、 anti一 而s e 等不同 工艺 触发器数量多少 f p g a 更适合实现时序逻 辑， c p l d 多用于实现组 合 逻辑 硕 士 论 文 荃于即c 人的数 据处理与传输系统研究 p 主 nt op i n延 时 不可预测 固定 对f 邢a 而言， 时序约束和 仿真非常重要 规模与逻辑复 杂度 规模大，逻辑复杂 度高， 新型器件高 达千万门级 规 模小， 逻辑复杂 度低 c p l d 用于实现较小规模 设计 成本与价格成本高、 价格高 成本低、 价格低 c p l d 用于实现低成本设 计 编程与配置 一般包括两种， 外 挂b o otr o . 和通过 c p t ! 或d s p 等在线编 程。 多数基本属于 以m 型， 掉电 后程序 丢失 有两种编 程方式， 一种是通过 编程器 烧写r 侧， 另一种较 方便的方式 是通过 isp 模式。 一般为 r 哪型， 掉电后程序 不丢失 f p c a 掉电后一般将丢失 原有逻辑配置。而反 熔丝 工艺的 f p g a ，如actel 的 某些器件族和 目前一些 内 嵌f l a s h 或e ecmos 的 f 邢a ， 如l a t t 北的 x p 器件 族，可以实现非易失配置 方式 保密性 一般保密性差 好 一般f 民a 不 容易实现加 密， 但是目 前一些采用 f lash加5 砂 以 工艺的新型 器件 ( 如lat t i c e x p 系列 等)，在内部嵌入了加载 f l a s h ， 能提供更高的 保 密性 互联结构，连 线资源 分布式，丰富的布 线资源 集总式， 布线资源 相对有限 f p g a 布线灵活，但时 序更 难规划， 一般需要 通过时 序约束，静态时序分析， 时序仿真等手段提高并 验证时序性能 适用的设计 类 型 复杂的时序功能简单逻辑功能 3 3a i t e ，5 谧 邝灯 生系列芯片 目 前， 各种设计所包含的 功能 越来越复杂， 性能 要求越来越高， 这就要求我们充 分理 解所用的f p g a/ c p l d 器件的结 构特点， 合理使用其内 部的 功能 模块和布线资 源。 1 3 硕 士 论 文 、荃于fpg a的数据处理与传输系统研究 如今， f p g a 早已不仅仅是传统 意义上的 通用可编程逻辑，而越来越像一 个可编 程片 上系 统 ( s y s te m on p r o gr a ” lm a b le c hip) . 可 编 程 逻辑 器 件内 部 硬 的 功 能 模 块 越 . 来越丰富， 如片内 r a m， 锁相 环 ( p l l ) 、数字 信号处理 ( d s 哟 模块、 专用高 速电 路甚至嵌入式c pu ， 这些都 需要用户充分理解其结构特点和工作原理， 掌握其 使用方 法， 才能最大程度发挥它们在系统中的作用， 从而使用户的 设计达到最优 化。 alt e 花 公司的可编程逻辑产品可以分为高密度即g a、低成本f p g a 和c p l d 等3 类， 每个产品类别在不同 时期都有其主流产品 。在a 】t m近几年的产品系列中，高 端 高密 度f p 0 a 有a 沐x ， 5 1 浏ix 和5 坛 劝 i x l l 系 列:低成本f p g a 有妙 ex和c y c i 0 n e 系列。 c p l d 有max700 0b，max3 0 00a 和maxll 。 s t 口 t i x f p g a 在 20工年初 推向 市场，以 突出 的性价比 迅速占 领了高 端f p g a 市 场。 5 如石 x 器件在结构和工艺上较前一代的a 卫 e x 系列有较大的提高。增加了 许多 业界领 先的 特性， 如d s p 块、三重r a m 结构、内 嵌lvd s 高速电 路以 及d q s 瓜q 移相电 路实 现 高 速 存 储 器 接口 ， 被 授 予 2 0 0 2 年 e d n 年 度 发 明 奖 脚 气 s t n 吐 i x 系列f p g a 的主要 特点 有【 期 : ( 1) 高性能体系: s tl a t 议 系列器件的新结构 采用了 d l r e c t d 时 v e t m技术 和快速 连续h 4 u h 汀 丈 a c k 下 m 互联技术。 m 川 t i t r a c k t m 互联技术可以 根据走线的不同 长度进行优 化， 改善内 部模块 之间的互联性能。 alte 功 公司特有的d l rect d ri ve t m 技术保 证片内 所有的函数可以直接连接，使用同一 布线资 源。这两种技术与q 诩 时 us l l 2. 0 以 上版本 软 件 提 供的 助gl c lock ( tm) 功能 相 结 合， 便 于 进 行 模 块 化设 计 ， 简 化了 系 统 集 成， s tr at i x 系统器件片内 的全局和本地时 钟资 源提供了多 达4 0 个独立的系统时钟， 有利于 实现最丰富的系统 性能: 全 新的 布线结构， 分为三种长度的行列布线， 在保证延时可 预测的同 时，增加了 布线的灵活 性。 ( 2)大容量存储资源:s trat i x 器件中的t 石 m 曲 奴存储结构具有高达1 0 m b it 的 r a m 和高 达12 tbp s 的 峰 值存 储 带: 有 三 种不 同 的 嵌 入 存 储 模 块 类型 ， 它 们 都 具 有 混 合宽 度和混合时钟 模式嵌 入移位寄 存器功能， 可用于多种不同的场合: slz b i t m 5 1 2 模块 (51 2xl bit到3 2 xl肠it) : 512 位模块加上校验， 可用于接口 速率 适配的f i f o . 4 kbit m 4 k 模块 ( 4 0 9 6 x l b i t 到1 2 8 、 3 6 b it ) : 4 k 位模块加 上校验， 可用于小型数据 块存储和多通道 f o 协议。 slz kb认 meg 跳m 模块 ( 64 k 、 gb it 到 4 k 、 t 44b it ): 5 1 2 k 位r a m 加上校验， 可用 于存储大