（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的快速数据获取系统的研制.pdf

基于f p g a 的快速数据获取系统的研制 摘要 核脉冲信号的峰值测量是核物理研究中常用实验手段，核探测信号是随 机离散的快速窄脉冲，脉冲宽度为纳秒量级，高速a d c 采样电路难以捕捉 到窄脉冲的幅值，因此必须采用窄脉冲峰值采样保持电路将核脉冲峰值展 宽，再通过a d c 将脉冲幅度转换成数字量进行测量。 f p g a 是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于 其具有高集成度、高速、可编程等优点，大大推动了数字系统设计的自动化 进程，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性，在 超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。 论文主要研究内容和创新点如下： 设计了基于f p g a 的核脉冲信号快速数据获取系统，该系统以a l t e r a 公司c y c l o n ei i 作为控制处理核心。整个控制系统分为峰值保持电路，模拟 数字转换，数据存储与传输控制三大模块。 峰值保持电路模块，设计了一种适用于高速窄脉冲的有源峰值保持电路， 对脉冲信号的峰值展宽时间为0 4 2 0 u s ，最高可测量信号频率2 0 0 k h z 。 模拟数字转换控制模块，以1 2 位高速、低功耗a d c 芯片m a x l 2 7 6 作 为多道脉冲幅度分析器的模数转换器件，其采样速率最高可达1 8 m s p s 。 存储控制模块，使用状态机和v h d l 描述实现a d c 的控制，把采集的数 据送至缓冲存储器f i f o ，再通过以太网接口将的采集数据送给上位计算机， 扩大了数据处理、存储及输出测量结果等功能。系统仿真测试和实验表明该 系统能够稳定可靠地工作。 关键词：核信号峰值保持孔径时间模数转换器f p g a 4 t h e d e v e l o p m e n to ff a s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nf p g a a b s t r a c t t h ea m p l i t u d em e a s u r e m e n to fn u c l e a rp u l s ep e a ks i g n a li so f t e nt a k e ni n t h ee x p e r i m e n t so fn u c l e a rp h y s i c sr e s e a r c h a n dt h en u c l e a rd e t e c t i o ns i g n a li s ar a n d o md i s c r e t er a p i dn a r r o wp u l s e ，w i t ht h e p u l s ew i d t ho fn a n o s e c o n d s ，a si t i sd i f f i c u l tt o c a p t u r et h ep u l s ea m p l i t u d ee v e nt h r o u g hh i g h s p e e da d c s a m p l i n gc i r c u i t ，i tl sn e c e s s a r yt oa p p l yt h es p e c i a ls a m p l i n ga n dh o l d i n gc i r c u i t o fn a r r o wp u l s ep e a kt ob r o a d e nt h et i m ew i d t ho fn a r r o wp u l s ep e a k ，a n dt h e n c o n v e r tt h ep u l s ea m p l i t u d et od i g i t a ld a t at h r o u g ha d c f p g ai sas u p e r - l a r g e s c a l e ，u l t r a - h i g h s p e e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e w h i c hi s w i d e l yu s e d i nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so fh i g h i n t e g r a t i o n ，h i g h - s p e e d ，a n dp r o g r a m m a b l e ，e t c ，i th a sg r e a t l yp r o m o t e dt h e a u t o m a t i o ni nd i g i t a ls y s t e md e s i g n ，s h o r t e n e dt h ed e s i g nc y c l ei nt h ed i g i t a l s y s t e m s ，a n di m p r o v e dt h ef l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n 。w h i c hh a sa v e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h eu l t r a - - h i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n d r e a l t i m em o n i t o r i n g t h em a i na c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： t h ef a s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fn u c l e a rp u l s es i g n a lb a s e do nf p g a i s d e s i g n e di nt h ep a p e r t h es y s t e ma d o p t e dc y c l o n ei im a d eb ya l t e r a c o m p a n ya st h ec o n t r o l l i n gc o r ei nt h es y s t e m t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：t h ep e a kh o l dc i r c u i tm o d u l e ，a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r c o n t r o lm o d u l e ，a n dd a t as t o r i n gc o n t r o lm o d u l e t h ef i r s tp a r ti st h ep e a kh o l dc i r c u i tm o d u l e ap e a kh o l d i n gc i r e u i tf o r f a s tn a r r o wp u l s ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h es i g n a ls h a p i n g t i m ei s0 4 2 0 u s ： t h eh i g h e s tm e a s u r a b l ef r e q u e n c yi s2 0 0k h z t h es e c o n dp a r ti st h ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e rc o n t r o lm o d u l e t h ec h i p m a x l 2 7 6w i t h1 2 - b i th i g h s p e e da n d l o w p o w e ra d v a n t a g e si sa p p l i e da sa d c d e v i c ef o rm u l t i c h a n n e lp u l s ea m p l i t u d e a n a l y z e r ，w h i c hh a sas a m p l i n gr a t eu p t o1 8 m s p s t h es t a t em a c h i n ea n dv h d la r eu s e dt od e s c r i b ea n di m p l e m e n t t h ea d cc o n t r 0 1 t h et h i r dp a r ti st h es t o r a g ec o n t r o lm o d u l e ，w h i c h i su s e dt os e n dt h ed a t a t ot h ef i f oa n dt h e nc o n n e c tt h ed a t aw i t hl o c a la r e an e t w o r k ，t h ee t h e r n e t i n t e r f a c ee x p a n d st h ef u n c t i o n so fd a t ap r o c e s s i n ga n d s t o r i n g s i m u l a t i o nt e s t s 5 a n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nb es t a b l ea n dr e l i a b l ew o r k k e y w o r d s ：n u c l e a rs i g n a l ，p e a kh o l d ，a p e r t u r et i m e ，a d c ，f p g a 6 插图清单 图2 1f p g a 的设计流程图7 图2 2 数据采集与处理系统结构图1 3 图3 1 模拟展宽电路工作原理1 4 图3 2 采样保持电路参数的定义1 6 图3 3 准高斯核脉冲l7 图3 4 无源c r 微分峰位检测电路一1 9 图3 5 有源c r 微分峰位检测电路。1 9 图3 6p k _ d 0 1 的内部电路图2 1 图3 7 峰值保持电路结构框图2 l 图3 8 峰值保持电路工作时序图2 2 图3 9 单稳态触发器引脚图2 2 图3 10 测试波形图2 3 图3 1 1 线性分析图2 4 图4 1 接口时序图2 8 图4 2s p i 接口局部关断模式2 9 图4 3s p i 接口一完全关断模式2 9 图4 4 采样状态机结构框图。3l 图4 5 在完全关断模式和恢复模式下波形图4 0 图4 ，6 在正常模式和完全关断模式下波形图。4 0 图4 7j t a g 接口电路4 2 图4 8 下载模式选择电路。4 2 9 表格清单 表2 1 可编程逻辑器件的发展过程4 表2 2 可编程逻辑器件的分类比较4 表2 4 s t r a t i xf p g a 系列表1 0 表2 5c y c l o n ei i 系列f p g a 特性表l l 表2 6m a x3 0 0 0 ac p l d 系列1 2 表4 1 模数转换器的分类比较2 5 l o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得金目垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥 起王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期；年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 致谢 光阴荏苒，日月如梭，在合肥工业大学电子科学与应用物理学院三年的 学习时间即将过去。在漫长的人生旅程中，三年时间并不算长，但对我而言， 是磨砺青春、挥洒书生意气的三年，也是承受师恩、增长才干、提高学识的 三年。我将以一个新工大人的面貌，重新投入到火热的工作和事业中。在此， 谨对培育我的母校、教导我的老师、帮助我的同学们致以最诚挚的谢意和敬 意。 本课题在选题及研究过程中得到刘士兴老师的指导。刘老师多次询问研 究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。刘 老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文， 而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对刘老师的感激之 情是无法用言语表达的。在刘老师的悉心的指导和热情的帮助下，让我在求 学路上逐步成长，在他的关心和指导下使我在学业上取得了不少的进步，并 给我提供很多学习和锻炼的机会。 还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，三年学习生活使我们结下 深厚的友谊。俗话说天下没有不散之筵席，在毕业之际，我衷心地同学和朋 友们在以后的人生道路上越走越宽广，也深深相信在未来的日子里我们将一 路携手前行。在此，我要感谢实验室的所有同学，感谢我的师兄顾勤冬和黄 锋，同学王文光、刘轩等，师弟谢武军、聂本明、杜侃侃、邓田和孟召晶， 师妹涂德凤等在课题研究过程中，他们给予我在学习和生活中的帮助。 还要感谢电子科学与应用物理学院的各位老师和领导，他们为我们的学 习和科研提供了优良的环境，在此，对他们的工作表示由衷的感谢! 最后，向我最敬爱的家人致谢，感谢他们多年来给予我的无私支持和奉 献。 7 作者：李强 2 0 10 年4 月 选题来源和研究的意义 第一章绪论 随着人们生活水平的日益提高，人们对自身的自然环境和生活环境越来 越重视，尤其是生活环境中的放射性污染已被社会各界广泛关注 2 9 1 。核辐 射测量技术综合性和专业性非常强，涉及到多个相互交叉的学科，如核辐射 探测、电子技术、计算机技术等。这项技术具有快速、安全、经济、不受电 磁干扰等特点，在多个领域已经成为一种重要的物质成分的分析手段，也是 考古学、化学、医学、生物学和地质学等多学科部门的辅助研究手段。核能 谱测量是核辐射测量的重要方法之一。通过核能谱信息的获取，能够对相关 核素进行定性和定量分析。核能谱数据采集系统是以多道脉冲幅度分析器 ( m u l t i c h a n n e lp u l s eh e i g h ta n a l y s e r ，简称m c a ) 为核心，能独立完成核能 谱的获取和分析的整个过程，并有功耗低、重量轻、体积小、便携式等特点。 多道脉冲幅度分析器基本功能就是把输入脉冲的幅度分类计数。目前，以 e d a 工程和嵌入式系统被广泛应用于核能谱数据采集系统的多道脉冲幅度 分析器之中。多道脉冲幅度分析器主要组成部分有：峰值采样保持电路，模 拟数字转换电路，数据存储器，显示器和控制系统等。 在进行核信号能谱测量时，由于核脉冲的信号是随机离散的快速窄脉 冲，而且密度高，需对脉冲的峰顶幅度进行监测，但是探测器输出信号经放 大成形后的脉冲信号其峰顶宽度是窄的，甚至是尖顶的，一般的数据采样不 易获得有效数据，不能满足多道脉冲幅度分析器和其他仪器的要求。这时必 须将脉冲展宽，使脉冲的峰值保持一段时间，然后才能用a d c 进行高精度 测量。在这类测量仪表的设计中，硬件上采用峰值保持电路，这是实现峰值 采集常见的方法。通用的峰值保持器是使用模拟电路来实现的，技术成熟， 结构简单，但存在跟踪速度慢或对窄脉冲峰值难以采样等缺点。对此，利用 f p g a 及模数转换器件，设计了数字式高速峰值保持器【l 。 在多道脉冲幅度分析器等测量射线能谱的设备中，峰值采样保持电路模 块起到尤为重要的作用。一般的峰值保持电路包含峰值获取的电路和峰值保 持电路两部分。那么怎样通过脉冲的幅度来鉴别粒子的类型? 在核物理测量 射线能谱的实验上，经过放大器后输出模拟信号的峰值是代表着带电粒子在 核辐射探测器中所沉积的能量，这样可以根据模拟信号的峰值幅度大小就可 以鉴别粒子的类型。峰值采样保持电路是在峰值获取电路的基础上设计的， 模拟峰值信号要转换成数字信号需要通过a d c 电路进行转换，而转换就需 要一定的时间。在转换期间要保证峰值获取信号的稳定，因此模拟信号的峰 值保持同样重要。 峰值保持电路在其它测量控制方面用途也非常广泛，在核物理实验中， 常常遇到需要对最大峰值进行测量的情况，如在一段连续的脉冲中的峰值 等。对这类信号的测量，硬件上采用峰值保持电路是常见的方法。核脉冲实 验中由于信号为高速信号、窄脉冲而且密度高，在数据采样时难以获得有效 数据，所以对核脉冲信号的峰值进行采样保持，展宽核脉冲信号的脉冲宽度， 经过这样的处理使得a d c 能够对核信号峰值进行有效的采集。 1 2 国内外研究概况 多道脉冲幅度分析器是测量射线能谱的基本设备，其性能在很大程度上 反映了核信息采集的正确性，是核数据处理的基础。最早的多道脉冲幅度分 析器是用机械原理构成的。到2 0 世纪5 0 年代，电子管式和晶体管式的多道 脉冲幅度分析器开始出现。到2 0 世纪7 0 年代中期，以数字集成电路为基础 的多道脉冲幅度分析器开始发展。2 0 世纪8 0 年代末期，出现了智能化的多 道脉冲幅度分析器。到了2 0 世纪9 0 年代，出现了以单片机为控制核心的多 道脉冲幅度分析器。2 1 世纪以来，以e d a 工程和嵌入式作为系统的控制核 心的多道脉冲幅度分析器得到了广泛的发展。可以看出，从早期的电子管式 到目前最先进的智能化、数字化、低功耗、便携式多道能谱仪，走过了将近 6 0 年的路程。如今，随着计算机技术、电子技术、半导体技术以及单片机 技术的发展，核能谱测量技术还将得到更飞速的发展。 从国内外核能谱数据采集系统发展现状来看，传统的硬件上多采用单片 机来设计，在设计上也多采用繁琐的汇编语言，设计的效率和性能难以保证。 因此有了本文基于f p g a 的快速数据获取系统的研制。 1 3 论文内容的安排 本文组织结构如下： 第一章：绪论 阐述了本论文的选题来源和研究的意义，并简要分析了多道脉冲幅度分 析器的发展历程。 第二章：基于f p g a 的系统设计 本章首先介绍了可编程逻辑器件的发展和分类，接着对系统方案进行了 选择，再介绍f p g a c p l d 设计流程和设计原则，并对f p g a 进行选型，最 后给出了基于f p g a 的数据采集与处理系统的结构图。 2 第三章：峰值保持电路的设计 本章首先介绍了峰值保持电路的定义和原理，然后详细介绍了核脉冲峰 值保持电路孔径时间和a d c 的转换速度；再比较分析了无源和有源峰值保 持电路的优缺点；接着详细介绍了p k d 0 1 峰值保持器和改进型峰值保持电 路；最后对峰值保持电路板进行了实际的测试。 第四章：基于f p g a 的数据采集与处理系统的设计 本章首先介绍了a d c 的基本类型和性能指标，并对a d c 进行选型。接 着对模数转换器接口时序和局部和完全关断模式进行比较分析，然后据此做 采样状态机结构的详细说明，再写出模数转换器的v h d l 代码，最后仿真 其工作时序并对其进行下载配置。 第五章：总结与展望 对本论文的工作进行了总结，最后对该系统的迸一步研究提供了展望。 第二章基于f p g a 的数据采集系统 2 1 方案的选择 一、可编程逻辑器件的发展 随着微电子制造技术和工艺的发展，可编程逻辑器件的发展大致经过了 四个阶段的更新和发展。如下表所示。 表2 1 可编程逻辑器件的发展过程 发展阶段主要代表主要功能 2 0 世纪7 0 年代初 主要有三种：可编程只由于结构简单，所以只能完 到7 0 年代中期读存储器( p r o m ) 、成的数字功能。 紫外线可擦除只读存 储器( e p r o m ) 和电 可擦只读存储器 ( e e p r o m ) 。 2 0 世纪7 0 年代中可编程阵列逻辑能够完成各种逻辑运算功 8 0 年代中期( p a l ) 和通用阵列逻能。 辑( g a l ) 器件，被合 称为p l d 。 2 0 世纪8 0 年代早期的c p l d具有逻辑单元灵活、集成度 9 0 年代末高以及适用范围宽等特点， 适用于超大规模的电路。 2 0 世纪9 0 年代末 s o p c ( s y s t e m o i l超越了a s i c 器件的性能和 现今 p r o g r a m m a b l ec h i p ) 技 规模，使p l d 的应用范围从 术和s o c 技术单片级扩展到系统级。 二、可编程逻辑器件分类 目前，常用的可编程逻辑器件主要有可编程阵列逻辑( p a l ， p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 、复杂的可编程逻辑器件( c p l d ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和现场可编程逻辑阵列( f p g a ，f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 三大类【引。下表所示，是3 种可编程逻辑器件分类 比较。 表2 2 可编程逻辑器件的分类比较 种类工艺和结构缺点优点 代表厂商 可编程阵列逻基于可编程单元功能灵活、 l a t t i c e 辑器件e 2 c m o s 工密度较低，仅小封装、重 艺，结构较为能适用于某复可编程、 简单。些简单的数低功耗、低 4 字逻辑电路。成本、高可 靠性等。 复杂的可编程 e 2 c m o s - 1 -仅适用于实 规模较小， a l t e r a 、 逻辑器件艺，少数用现低成本的逻辑复杂 x i l i n x、 f l a s h 工艺， 简单设计。度较低。保 l a t t i c e 基本结构由密性高，成 逻辑单元、可本低，价格 编程i o 单低。 元、布线池和 辅助功能模 块构成。 现场可编程逻一般采用成本高，价格规模大，逻a l t e r a 、 辑阵列s r a m 工艺，高，一般保密辑复杂度 x i l i n x、 也有一些采性较差，结构高。可完成 l a t t i c e 、 用f a l s h 工复杂。复杂的时a t m e l 、 艺或反熔丝序功能。a c t e l 工艺等。 三、方案的选择 通过前期调研，我们把f p g a 作为整个数据采集与处理系统的控制核 心。在选择中，几种微处理器都有各自的优势，例如：单片机( m c u ) ，又 称为微控制器，在一块半导体芯片上集中了c p u ，r o m ，r a m ，i oi n t e r f a c e ， t i m e r c o u n t e r ，i n t e r r u p ts y s t e m ，构成一台完整的数字计算机。单片机程序是 串行执行的，执行完一条才能执行下一条，所以运行速度低。a r m 具有比 较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在 控制方面，a r m 控制能力较强，但运算能力相对较弱。因此现在很多手持 设备是用a r m + d s p 来实现的，就是所谓的“双核心”。d s p 数字信号处理 ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 主要用做运算，如语音，图像等信号的运算处理， 但基本不用做控制。优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。f p g a 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 可以用v h d l 或 v e r i l o g h d l 来编程，灵活性强，能够进行编程、除错、 再编程和重复操作， 因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出 f p g a 的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力 可以用来进行系统升级或除错。下表列出了几种典型的微处理器系统对比结 果。 5 表2 3 几种微处理器系统的对比表 处理器类型单片机 d s pa r mf p g a 开发难度简单较大大简单 开发成本 较高 较高较低高 开发周期 短 稍长稍长短 运行速度低速高速高速超高速 操作系统支持弱稍强强强 f p g a 在性能、开发成本、开发周期和操作系统的支持等方面有明显优 势，因此，在系统方案选择上，把f p g a 作为整个数据采集与处理系统的控 制核心。 2 2f p g a 技术 现场可编程门阵列( f p g a ) 器件是近几年来发展迅速的一种大规模集 成电路。是目前被广泛采用的用于高速及复杂数字电路设计的大规模可编程 逻辑器件，是一种纯硬件电路，门级延时仅数纳秒，可工作在高达2 0 0 m h z 频率。f p g a 技术可通过原理图输入法和硬件描述语言设计一个数字电路。 就算p c b 版图完成，也可以在线修改设计而不改动硬件电路。这样可大大 缩短设计时间和节省设计成本。另外，f p g a 掉电后恢复成白片，将丢失原 有内部逻辑关系，这样可以反复使用。如果用反熔丝工艺的f p g a ，就可以 实现非易失配置方式。f p g a 可使用e p r o m 、p r o m 编程器，不必专门的 编程器。当需要修改功能时，只需要换通用的编程器就可以了。这样，同一 片f p g a 可以产生不同的电路功能。 综上所述，f p g a 的优势如下： 具有高集成度 运行速度快 可编程，灵活性强，能够进行编程、除错、再编程和重复操作。 缩短设计周期缩短，减小开发成本。 大量软核，可以方便进行二次开发。 正是由于f p g a 具有这些优点，f p g a 在超高速应用领域和实时测控方 面有非常广阔的应用前景。 6 2 2 1f p g a c p l d 的设计流程 通常我们把f p g a c p l d 设计流程分为八个步骤【8 1 。有电路设计与输入、 功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现与布局布线、布局布线后仿真与验 证、板级仿真与验证、加载配置在线调试主要八个步骤，如图所示。 图2 1f p g a c p l d 的设计流程图 1 、电路设计与输入 电路设计与输入是指设计的行为或结构描述。也就是将设计者的电路构 思通过某些规范的描述方式输入给e d a 工具。常用的有原理图设计方法和 硬件描述语言设计输入方法。原理图设计输法就是便于直观理解，元器件库 资源丰富。缺点就是这种方法可维护性差。当所选用芯片升级换代后，所有 7 的原理图设计都要做相应的改动。在进行硬件描述语言输入时，代码调试很 重要，它就是对设计输入的文件做语法检查和代码调试等。最常用的硬件描 述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。这两种语言的共同特点是利于由顶向下设 计，通用性好，支持面广，重用性好，可靠性好，还有可移植性好，更利于 向a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，即专用集成电路) 的移植。 2 、功能仿真 功能仿真被称为前仿真。电路设计与设计步骤完成后，要用仿真工具对 电路设计进行仿真，验证电路功能是否符合设计要求。功能仿真主要使我们 发现设计中的错误，并加快设计进度和提高设计的可靠性。如果通过功能仿 真，则可以进行下一步。如果没通过，则回到第一步。 常用仿真工具有m e n t o r 公司的m o d e l s i m 、c a d e n c e 公司的n c 等。 3 、综合优化 将硬件描述语言和原理图等设计输入翻译成基本逻辑单元组成的逻辑 连接的网表就是综合优化。并根据目标与约束条件优化所生成逻辑连接，合 适的面积要求和性能要求，并生成标准格式的网表文件，供f p g a c p l d 厂 家的布局布线器进行实现。 典型工具有m e n t o r 公司的l e o n a r d o s p e c t r u m 和s y n p l i c i t y 公司的 s y n p l i f y 。 4 、综合后仿真 综合后仿真就是综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致。如 果综合后仿真没通过，回到上一步，继续综合优化。综合后仿真的主要目的 在于检查综合优化后的仿真结果是否与设计者输入一致。 5 、实现与布局布线 综合后结果与芯片实际的配置情况还有较大差距，这时应该使用f p g a 厂商提供的软件工具，映射设计到目标工艺里指定位置，这个过程就叫做实 现过程。在实现过程中指定的布线资源应被使用。布局是指将模块安置在芯 片适当的位置上，并能满足一定的目标函数。一般布局时总是要求芯片面积 最小，连线总长最短和电性能最优且容易布线。布线是根据电路的连接关系 描述( 即连接表) ，在满足工艺规则的条件和电学性能的要求下，在指定的 区域( 面积、形状、层次等) 内完成所需的互连，同时要求尽可能的而优化 连接线长度和通孔数目。 主要公司代表有a l t e r a 公司的q u a r t u si i 和m a x p l u si i 、x i l i n x 公司的 i s e 和f o u d a t i o n 。 6 、布局布线后仿真与验证 后仿真叫时序仿真，也就是布局布线后仿真。后仿真主要是验证设计编 程或配置，然后将能在目标工艺里工作( 使用时间延迟) 。布局布线之后生 成的仿真时延文件包含的时延信息最全面，这样能较好地反映芯片的实际工 作情况。如果未通过布局布线后仿真，那么回到上一步骤继续调试。 7 、板级仿真与验证 一般借助布局布线工具自带的时序分析工具。如果未通过板级仿真与验 证，那么回到实现与布局布线步骤继续调试。 8 、加载配置在线调试 设计开发的最后步骤就是在线调试或者加载配置。验证合乎性能规范， 如果不满足，则回到第一步。主要的调试工具有示波器和逻辑分析仪等。 以上八个步骤，在任何仿真或验证步骤出现问题时，都需要根据所在错 误的地方返回到相应的步骤更改或者重新设计。 2 2 2f p g a 的设计原则 可编程逻辑器件设计有许多内在规律可循，总结有4 个基本设计原则【8 】。 l 、面积和速度平衡与交换原则 f p g a 设计一个重要指导原则是：面积和速度的平衡与互换。 面积指消耗f p g a 逻辑资源的数量，对于f p g a 可以用所消耗触发器和 查找表来衡量。对于c p l d ，常用宏单元来衡量。用设计所占用的等价逻辑 门数来衡量设计所消耗的f p g a c p l d 的逻辑资源数量也是一种常用的衡量 方法。速度指在芯片设计上稳定运行达到的最高频率。这个频率由设计的 时序状况决定，同c l o c ks e t u pt i m e ，c l o c kh o l dt i m e ，c l o c k t o o u t p u td e l a y 等众多时间量密切相关。面积和速度这两个指标是f p g a 设计的重点所在。 一般可以通过将数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对整个设计采取 “串并转换”的思想进行运作，在芯片输出模块再对数据进行“并串转换”。从 宏观上看整个芯片满足了处理速度的要求，这相当于用面积复制转速度提 高。 2 、硬件原则 硬件原则主要针对h d l 代码编写而言。f p g a c p l d 的逻辑设计所采用 的硬件描述语言( h d l ) 同软件语言( 如c 语言等) 是有本质区别的。硬 件描述语言的本质作用在于描述硬件，最终实现的是芯片内部的实际电路。 3 、系统原则 系统原则的引申含义就是模块化设计方法。模块化设计是系统原则的一 个很好的体现，它不仅仅是一种设计工具，更是一种设计思路和设计方法。 它是由项向下，模块划分，分工协作设计思想的集中体现。 4 、同步设计原则 同步时序设计的基本原则是使用时钟沿触发所有的操作，如果所有寄存 9 器的时序要求都能满足，则同步时序设计与异步时序设计相比，在不同的条 件下获得更佳的系统稳定性和可靠性。 2 3f p g a 选型 如今，各种电路设计所包含的功能日益复杂，性能更要求高，这就要求 我们充分理解所用的f p g a c p l d 器件的具体结构特点，合理地使用其i o 接口扩展，内部功能模块和丰富的布线资源。 a l t e r a 公司的可编程逻辑产品可以分为高密度f p g a 、低成本f p g a 和 c p l d 三类，每个产品类别在不同时期都有其主流产品。在a 1 t e r a 近几年的 产品系列中，高端f p g a 有s t r a t i x 系列产品为代表；低成本f p g a 有c y c l o n e 系列产品为代表；c p l d 有m a x 系列产品为代表。下面主要比较介绍a l t e r a 公司的a l t e r a 高密度f p g a ，a l t e r a 低成本f p g a 和a l t e r a 的c p l d 器件。 a l t e r a 的主流f p g a 分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性 能可以满足一般的逻辑设计要求，如c y c l o n e ，c y c l o n ei i ；还有一种侧重于 高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如s t a r t i x ，s t r a t i xg x 等， 用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优 先选择低成本器件。 1 、a l t e r a 高密度f p g a t 8 】 s t r a t i x 和s t r a t i xg x 被大量应用在中高端的路由器和交换机中做复杂的 协议处理、流量调度，有的用在3 g 系统中做高速d s p 算法的实现，也有的 用在高清晰电视系统中做高速图像处理和传输等等。a l t e r a 的高端s t r a t i x f p g a 有许多系统级的功能模块，如用于时钟产生和管理的锁相环( p l l ) 、 用于片内存储数据的r a m 块、用于数字信号处理的d s p 块等。s t r a t i xg x 器件内嵌有速度可达3 18 7 5 g b i t s 的高速串行收发器，可以用于芯片之间或 背板互连，以及标准协议接口的实现，如p c i e x p r e s s 、s d i 、x a u i 等。 s t r a t i x 兀是a l t e r a 在2 0 0 4 年初推出的9 0 n m 高端f p g a ，它采用了全 新的逻辑结构自适应逻辑模块( a l m ) ，不仅显著地提高了性能和逻辑利 用率，同时降低了成本。 表2 4s t r a t i xf p g a 系列表 特性 e p l s l 0 e p l $ 2 0 e p l $ 2 5e p l $ 3 0e p l $ 4 0e p l $ 6 0 l e1 0 5 7 01 8 4 6 02 5 6 6 03 2 4 7 04 1 2 5 0 5 7 1 2 0 m 4 k r a m6 08 2 1 3 81 7 l1 8 32 9 2 锁相环 6661 01 21 2 1 0 m 5 1 2 洲9 41 9 42 2 42 9 53 8 45 7 4 m r a ml 22446 d s p 块 61 01 01 21 41 8 最大用户i o 4 2 65 8 67 0 67 2 68 2 21 0 2 2 简评：s t a r t i x 芯片在2 0 0 2 年推出，为a l t e r a 大规模的高端f p g a ，该芯 片适合高端应用。随着s t r a t i xi i 器件的推出，将被s t r a t i x l i 逐渐取代。s t r a t i x 性能超越s t r a t i x ，是未来几年中，a l t e r a 在高端f p g a 市场中的主力产品。 2 、a l t e r a 低成本f p g a 8 】 a l t e r a 公司的低成本f p g a 继a c e x 之后，推出了c y c l o n e ( 飓风) 系列，之后还有基于9 0 n m 工艺的c y c l o n e( 飓风) i i 。低成本f p g a 平衡了逻辑、存储器、锁相环和高级i o 接口。 c y c l o n ef p g a 具有以下特性： 新的可编程架构通过设计实现低成本。 嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理实施。 专用外部存储接口电路集成了d d rf c r a m 和s d r a m 器件以及s d r s d r a m 存储器件。 支持单端i o 标准和差分i o 技术，支持高达3 1 1 m b p s 的l v d s 信号。 处理能力支持n i o si i 系列嵌入式处理器。 采用新的串行配置器件的低成本配置方案。 逻辑容量从2 9 1 0 - 2 0 0 6 0 个l e ( 1 0 9 i ce l e m e n t ) 。 表2 5c y c l 0 1 娓i i 系列f p g a 特性表 特性 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 l e4 6 0 88 2 5 61 8 7 5 23 3 2 1 65 0 5 2 86 8 4 1 6 m 4 k r a m2 63 65 21 0 51 2 92 5 0 锁相环 224444 乘法器模块 1 31 82 63 58 61 5 0 简评：c y c l o n e 是a l t e r a 最成功的器件之一，性价比不错，是一种适 合中低端应用的通用f p g a ，推荐使用。c y c l o n ei i 为c y c l o n e 的下一 代产品，2 0 0 5 年开始推出，属于低成本f p g a ，性能和c y c l o n e 相当，现在 已经取代c y c l o n e 器件，成为a l t e r a 在中低f p g a 市场中的主力产品。 3 、a l t e r a 的c p l d 器件【8 】 c p l d 一直在单板设计中运用，如控制信号的分发，总线协议的转换， 对单板上其他芯片的配置，单板插拔管理和监控。它的逻辑量不大，设计较 简单，但是在系统的集成中作用还是非常重要的。m a x3 0 0 0 ac p l d 采用 0 3 u mc m o s 工艺制造，可用门数为6 0 0 一1 0 0 0 0 。m a x3 0 0 0 a 系列c p l d 的特性如表所示。 表2 6m a x3 0 0 0 a c p l d 系列 特性e p m 3 0 3 2 ae p m 3 0 6 4 a e p m 3 1 2 8 a e p m 3 2 5 6 ae p m 3 5 1 2 a 可用门数6 0 01 2 5 02 5 0 05 0 0 01 0 0 0 0 宏单元数 3 26 41 2 82 5 65 1 2 l a b2481 63 2 最大用户 3 46 69 81 6 12 0 8 简评：a l t e r a 的c p l d 器件性价比不错。不过m a xi i 容量较大，对于 只需要几十个逻辑单元的简单逻辑应用，建议使用小容量的3 0 0 0 a 系列芯 片。 最后，经过比较分析我们选择了低成本的a l t e r af p g a 的c y c l o n e ( 飓风) i i 作为f p g a 器件。 2 4 基于f p g a 的数据采集与处理 基于f p g a 的系统作为整个数据采集与处理的控制核心。整个控制系统 分为峰值保持电路模块，模拟数字转换控制模块，存储控制模块。f p g a 具 有丰富的i o 和处理资源，数据采集控制、数据处理和存储控制都可以并行 进行，从而使系统具有更好的数据处理能力。 基于f p g a 的数据采集与处理系统组成图如图所示。在峰值保持电路 中，复位脉冲信号与t r i g g e r 信号是相反的，t r i g g e r 与f p g a 里的模数转换 控制器相连。当模数转换控制器接收到t r i g g e r 信号时，开始启动a d c 进行