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基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 专业：检测技术与自动化装置 硕士生： 祁舒拮 指导教师：陈云洽副教授 摘要 随着各种非线性电力电子设各的大量应用，电网中的谐波污染日益严重。为了保证 电力系统的安全经济运行保证电气设备和用电人员的安全，治理电磁环境污染、维护 绿色环境，研究实时、准确的电力谐波分析系统，对电网中的谐波进行实时检测。分析 和监控，都具有重要的理论和工程实际意义。 目前实际应用的电力谐波分析系统大多是以单片机为核心组成。单片机运行速度 慢，实时性较差，不能满足实际应用中对系统实时性越来越高的要求。另外，单片机的 地址线和数据线位数较少，这使得由单片机构成的电力谐波分析系统外围电路庞大，系 统的可靠性和可维护性上都大打折扣。 本文首先研究了电力谐波的产生，危害及国内外研究现状，对电力谐波检测中常用 的各种算法进行分析和比较；然后介绍了f p g a 芯片的特性和s o p c 系统的特点，并分析 比较了传统测量谐波装置和基于f p g a 的新型谐波测量仪器的特性。综述了可编程元器 件的发展过程、主要工艺发展及目前的应用情况。 然后对整个谐波处理器系统的框架及结构进行描述包括系统的功能结构分配， 外围硬件电路的结构及软件瑷计流程。其后，针对系统外围硬件电路、f 阿i p 核设计和 s o p c 系统的组建，进行详细的分析与设计。系统采用n i o s 儿处理器核和f f r 运算协处 理器相结合的结构。f f t 运算用专门的f f t 运算觇处理器核完成，使得系统克服的单片 机系统实时性差和速度慢的缺点。f f ti p 核采用现在a s i c 领域的一种主流硬件描述语 言v h d l 进行编写，采用顺序的处理结构和i e e e 浮点标准运算具有系统简单、占用硬 件资源少和高运算精度的优点，谐波分析仪系统组建采用$ o p c 系统。s o p c 系统具有可 对硬件剪裁和添加的特点，使得系统的更简单，应用面更广，号用性更强的优点。最后， 给出了对系统中各模块进行仿真及系统生成的结果。 关键词：f p g a ，v h d l ，n i o si i ，凿波，f f t 摘要 t h er e s e a r c ha n dd e sig no fp o w e rh a r m o nic s a n a i y s iss y s t e mb a s e do nf p g a m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e n a m e ： q is h u z h e s u p e r v i s o r ： a s s i s t a n tp r o f y u n q i ac h e n a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fv a r i o u sn o n l i n e a re l e c t r i ca n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t s ，t h eh a r m o n i c sp o l l u t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e r n e ti sb e i n gm u c hm o r e s e r i o u s i no r d e rt og u a r a n t e et h ep o w e rs y s t e mr u n n i n gs a f e l ya n de c o n o m i c a l l y , g u a r a n t e et h es e c u r i t yo ft h ee l e c t r i ce q u i p m e n ta n dp o w e rc o n s u m i n gp e r s o n n e l ， m a n a g e t h e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，s a f e g u a r d t h e g r e e n e n v i r o m n e n t ，s t u d yt h er e a l t i m e ，a c c u r a t ep o w e rh a m l o n i ca n a l y s i ss y s t e m ，m e a s u r e ， a n a l y z ea n dc o n t r o lt h ep o w e rh a r m o n i c so ft h ee l e c t r i cp o w e rn e ti nr e a lt i m e ，h a v e i m p o r t a n tt h e o r ya n da c t n a lm e a n i n g t h ep o w e rh a r m o n i c sa n a l y s i ss y s t e mt h a tu s e sa c t u a l l ya tp r e s e n ta r em o s t l y m a d eu pb yt h es i n g l ec h i pm a c h i n e t h es i n g l ec h i pm a c h i n er u n ss l o w l y , r e a l - t i m e c h a r a c t e ri sr e l a t i v e l yb a da n dc a n tr e s p o n dt ot h er e q u e s to ft h es y s t e m sr e a l t i m e c h a r a c t e ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h en u m b e ro fi t sa d d r e s sb u sa n dd a t a b u si sl e s s ，t h i sm a k ec i r c u i t sa m o u n to ft h e s ei n s t r u m e n t si sv e r yh u g ea n dg i v ea 笋e a td i s c o u n to ns y s t e m a t i cd e p e n d a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y t h i sp a p e rs t u d yt h ep r o d u c t i o na n de n d a n g e ro ft h ep o w e rh a r m o n i ca tf i r s t ， a n ds t u d yt h ec u r r e n ts i t u a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d a n dt h e n ，o nt h eb a s i so ft h e t h i n gt h a tv a r i o u sc o m m o n l yu s e da l g o r i t h m sw h i l em e a s n r i n go fp o w e rh a m l o n i ca r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d i n t r o d u c et h ef e a t u r e so ff p g ac h i pa n ds o p c ，a n a l y s i z e a n dc o m p a r et h ec h a r a c t e r so ft r a d i t i o n a lh a r m o n i ca n a l y z e ra n dh a r m o n i ca n a l y z e r d e v i c eb a s eo nf p g a b e w r i t et h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m a b l e d e v i c e m a i nt e c h n i c sa n dt h es t a t u so fi m p l e m e n t a t i o nn o w a d a y s t h e n ，d e s c r i b et h ea r c h i t e c t u r eo ft h ep o w e rh a m o n i c sa n a l y s i ss y s t e m ( p h a s ) ， i n c l u d i n gt h ea l l o c a t i o no ff u n c t i o n a ls t r u c t u r e ，s t r u c t u r eo fp e r i p h r a la n dd e s i g nf l o w o fs o t t w a r e s e q u e n t i a l l y , a i m i n ga tt h es e c t i o nm e n t i o n e db e f o r e ，c a r r yo u tt h e 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 a n a l y s i sa n dd e s i g n s y s t e ma d o p t st h ea r c h i t e c t u r eo fn i o s s p r o c e s s o rc o m b i n i n g w i t hf f tc o p r o c e s s o lf f ti pc o r ei sd e s i g n e da s s e q u e n t i a ls t r u c t u r ea n di e e e f l o a t i n g p o i n ts t a n d a r d s o p ci st a k e na st h ep r o c e s s i n gs y s t e m ，i nt h ea d v e n t a g eo f c o n c i s ea r c h i t e c t u r e ，b r o a di m p l e m e n t a lb o u n d f i n a l l y , l i s tt h er e s u l to fs i m u l a t i o n a n ds y s t e mg e n e r a t i o n k e yw o r d s ：f p g a ，v h d l ，n i o si i ，p o w e rh a r m o n i c ，f f t 第一蕈绪论 第一章绪论 由于大量非线性负载的加入电网，使得电力系统的谐波成为影响电能质量的 重要因素之一，越来越受到人们的关注。电力谐波中的实际测量结果是谐波问题 研究的主要依据，也是研究分析偕波问题的出发点。本章扼要介绍了电力谐波的 产生及目前谐波问题的研究现状，阐述了电力营波的危害以及谐波的测量与分析 在电力系统中的重要性：以及目前谐波检测中一些常用方法。最后介绍了本课 题研究的目的及意义”j 。 1 1 电力谐波的产生及研究现状 电力系统运行时，理想情况下它应吼额定频率和额定电压向用户供电。但在 实际运行中，由于负荷的不断变化电力系统的频率和电压是不可能维持恒定不 变的。尤其是近些年来，随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展，电气设备 越来越多地采用了高效节能的新技术如变频设备、不问断电源、直流电源、电 弧设备等，这些负荷对电网造成丁很大的干扰，使供电网中的波形发生了畸变， 不再是单一的5 0 h z 的正弦波分量，这些分量称为谐波，谐波的大量产生，成为 当前电力系统中影响电能质量的重要因素之一p i ， 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。 当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了 j 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展发表了有关变流器引起谐波 问题的大量论文。在其7 0 年代以来，由于电子技术的飞速发展各种电力电子 装置在电力系统、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。 世界各国部对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术 会议，不少国家和国际学术组织部制定了限制电力系统谐波和用电没备凿波的标 准和规定。我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力 系统谐波一书是国内最早的一部较有影响的著作。“，极大地推动了国内这一领 域的研究工作。王兆安等人1 9 9 9 年出版的喈波抑制和无功功率补偿，近几年 在国内也有较大的影响该著作对研究谐波问题的治理具有重要的指导意义 世界上许多国家及一些著名的国际组织。如国际电： 委员会( i e c ) 等，都 先后制订了包括配电系统、电力设备和用电设备以及家用电器在内的各类谐波标 准。而我国在这方面则相对较慢，直到1 9 9 3 年才由当时的能源部组织制定并经 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 国家技术监督局批准发布了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波， 并于1 9 9 4 年3 月正式实旌，使我国谐波管理工作逐渐科学化、规范化和法制化。 1 2 电力谐波的危害及研究的重要性 谐波对电力系统电磁环境的污染将危害系统本身及广大电力用户，危害面十 分广泛。张直平等人合著的城市电网谐波手册一书中对谐波的危害作了详细 的研究。归纳起来其主要危害有”1 ： ( 1 )产生附加损耗，增加设备温升。与基波电流相比，尽管谐波电流的比 例不大。但殴备的有效电阻会因集肤效应而增大。在有铁芯的电气设备中，铁芯 的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还 使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。 ( 2 )恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为 在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温 升提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘 寿命。 ( 3 )可能引起电机的机械振动。由谐波电流相电机旋转磁场相互作用产生 的脉动转矩可能使电机发生振动。当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩 的激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。 ( 4 )无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补 偿电容与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会 对某次谐波电流起到放大作用，加剧了谐波危害。当它们构成的局部谐振回路的 频率与系统中存在的某次谐波频率相近时就会造成危险的过电流或过电压。 ( 5 )对继电保护、自动控制装置和汁算机产生干扰和造成误动作。这些保 护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设 计的，谐波的存在使它们的f 常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。 ( 6 )影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。 ( 7 )干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。 因此，不论从保证电力系统的安全经济运行，还是从保证电气设备和人身安 全的角度，还是从治理环境污染、维护绿色环境的角度，在电网中对谐波进行实 时检测，当谐波超过标准时，及时采取相关的技术措施来抑制谐波，是具有重大 社会和经济效益的。 第一章绪论 1 3 谐波检测中的常用方法 谐波检测是谐波问题的基础。电力系统的偕波由于受随机性、分布性、非平 稳性等诸多因素的影响，对其进行准确的检测并非易事，多年来，人们都在不断 地探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术。选择一个合适的谐波检测方法对 本系统的精度高低也是影响重大。 目前比较常用的谐波检测方法主要有 5 】： 1 3 1 采用模拟滤波器原理的谐波检测方法 早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波的方法。该谐波检 测方法的原理是采用带阻滤波器将基波分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤 波器得出基波分量，再与被检测量相减得到谐波分量。该方法的优点是实现电路 简单、造价低、输出阻抗低、品质因素易于控制。但也有许多不足，如实现电路 的滤波中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅 频和相频特性；电网频率波动不仅影响检测精度，而且检测出的谐波中含有较多 的基波分量：当需要检测多次谐波分量时，实现电路变得复杂，其电路参数设计 难度随之增加：运行损耗大等等。随着电力系统谐波检测要求的提高及新的谐波 检测方法的日益成熟，该方法已不再优先选用。 1 3 2 基于小波分析的谐波检测方法 小波分析作为调和分析的重大进展，克服了傅立叶变换在频域完全局部化而 在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性。小波分析采用 不同尺度的分析方法，能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨 率，为非稳态信号的分析提供了一条新的途径。小波分析对波动谐波、快速变化 偕波的检测有很大的优越性，但是小波变化在稳态谐波检测方面相比博立叶变换 并不具备理论优势；而且小波变换的理论和应用研究时间还相对比较短，应用在 喈波检测方面尚处于初始阶段，目前也没有实际产品投放市场。 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 1 3 3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 瞬时无功功率理论是总谐波实时检测的主要方法。基于瞬时无功功率理论有 3 种谐波检测方法：p q 法、i p i q 法和d - q 法。这3 种方法都能准确、实时测量三 相三线制对称电路的总谐波分量。i p i q 法和d q 法适用范围更广，不仅在电网电 压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，使用p - q 法测量电网电压畸变时 的谐波会存在较大误差。瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸 变时，检测基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单， 并且延时小，具有很好的实时性，但是此理论是基于三相三线制电路提出的，对于 单相电路，必须首先将三相电路分解，然后再构造基于瞬时无功功率理论的单相电 路的谐波检测电路。该方法用于无功补偿等谐波抑制领域不失为一种好方法，但 是由于它只能检测出总谐波值，因此不适宜在本系统中采用。 1 3 4 基于傅立叶变换的谐波检测方法 该方法的核心理论建立在傅立叶分析的基础之上，其实质就是将模拟信号经 过采样变换成离散的数字序列后，输入相应的处理芯片进行傅立叶变换计算得 出基波以及频率为基波频率整数倍的各次谐波的幅值和相位。使用傅立叶变换的 方法进行谐波检测，精度较高，功能较多，使用方便，是当今谐波检测中应用最 广泛的一种谐波检测方法。其缺点是需要一定时间的电流值，而且需要进行两次 变换，实时性不是很好。在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产 生频谱混叠效应、泄露效应和栅栏效应，使计算出的信号参数不准确，因此必须 对算法进行改进。己有的方法主要有利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修 i f 、修正采样点法及利用数字式锁相器( d p l l ) 使信号频率和采洋频率保持同 步，其中加窗插值算法已发展出矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗一哈 里斯窗等数十种窗函数供不同场合选择使用。 1 4 本课题研究的目的及意义 对于f f t 而言，很多领域都提出了其高速实时运算的要求，目前国际市场专 用的f f t 处理器可以达到的速度数量级普遍为1 0 2 4 点1 6 位字长定点、块浮 o 第一章绪论 点、浮点运算在几十和数百us 量级，其中采用t i 公司的d s p 6 2 x 系列达到6 6 us 量级处理速度，6 4 x 达到3 6 us 量级，均需要多片，且如果仅用于f f t 处理 则其它功能废弃性价比就很低。而且通用d s p 处理器构成的f f t 处理机采用循 环编码算法，程序量小，但存在大量的冗余运算，且需要许多跳转操作，处理速 度较慢，不能满足现代数字信号处理实时性的要求。在多处理器构成的并行处理 系统中，使用抽取的方法实现对输入数据的分解，达到并行处理的目的，可显著 提高计算的速度，但在进行大点数f f t 计算时，存在并行算法与d s p 处理器的 寻址能力不相适应，不能有效利用数据传输的带宽和运算能力的问题，造成硬件 资源的浪费。虽然通用的d s p 处理器在结构上己考虑了对各种算法的优化，同 时具有很大的灵活性但对f f t 这种高度结构化的算法，其效率仍然不是很高【吼 由于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列) 能够并行处理， 容易实现流水线结构，且升级简便，非常适合实现f f t 算法。f p g a 厂商a l t e r a 公司和x i l l 2 x x 公司都研制了f f ti p 核，但是价格昂贵。 因此，需要自主研发基于f p g a 芯片的f f t 把f f t 实时化的要求和 f p g a 芯片设计灵活性结合起来，以实现并行算法与硬件结构的优化配置，提高 f f t 处理速度，以满足现代信号处理的高速度、高可靠性要求。 第二章f p g a 、s o p c 技术及v h d l 语言介绍 第二章f p g a 、s o p c 技术及v h d l 语言介绍 2 1f p g a 芯片 2 1 1f p g a 的发展现状 2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 公司分别推出了类似于p a l ( 可编程阵 列逻辑) 结构的扩展型c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和与标准门阵列类似的 f p g a ( 现场可编程门阵列) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以 及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可实现较 大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它的a s i c 相比，它们又具有蹬计 开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以 及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般 在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电 路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。随着超大规模集成电路( v l s 【) 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 c p l d 芯片的规模也越 来越大，其单片逻辑门数己达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时 电可以实现系统集成( 7 1 。 用户可以对f p g a 、c p l d 芯片反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不 动地情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片， 能以最快地速度占领市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具， 及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设汁人员在很短的时间内就可以完成 电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时， 更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计 时，不需要具备专门的集成电路( i c ) 深层次的知识，f p g a c p l d 软件易学易用， 可以使设计人员更能集中精力进行电路漫计，快速将产品推向市场。 2 1 。2f f t 处理器的研究现状 f f t 在无线通信、语音识别、图像处理和频谱分析等领域有着广泛的应用。 1 2 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 其实现彤式主要有两种： ( 1 ) 一种是使用单片机或d s p ，通过软件编程来实现。利用软件编程来实现 f f t ，虽然有很大的灵活性，但受d s p 本身性能及程序指令顺序执行的限制，难 以实现高速、大规模的f f t 运算。 ( 2 ) 另一种是应用专用f f t 芯片或用户定制的大规模集成电路实现。专用f f t 芯片或用户定制的大规模集成电路可以实现很高的运算速度，非常适合高速信号 处理系统的应用。 目前，国际上的高速f f t 实现方案分为d s p , f p g a 和a s i ci p 等。专用的 f f t 模块可以达到的速度数量级普遍为1 0 2 4 点1 6 位字长定点、浮点运算在几十 和数百t l s 量级。其中采用t i 公司的d s p c 6 7 x 系列实现1 0 2 4 个复数点f f t 达 到5 6 u s 量级处理速度，需要多片d s p 芯片的拼接；x i l i n x 公司推出了1 4 0 m h z 时 钟频率下处理速度达到l u s 的1 0 2 4 点f f t 处理模块，其采用的是8 0 0 万门v i t t e x i i 器件实现。 2 1 3 大规模f p g a 与a s c 技术的融合 f p g a 可以进行几乎无限次编程的特点，对于专用集成电路设计人员来说， 能够在系统级设计的时候进行硬件仿真，极大的提高设计的验证速度。可编程逻 辑器件的使用在数字集成电路设计流程中是一个重要的环节。它与a s i c 设计 流程几乎完全相同，所不同的是a s i c 设计采用a s i c 工艺库进行逻辑综合和版 图的布局布线而f p g a 设计是采用f p g a 厂商提供库单元进行逻辑综合和布局 布线，最后生成下载二进制流文件。 在某种程度上，一种可编程逻辑器件的可编程部分的物理实现方式规定了它 们的结构。目前最常用的实现方式有反熔丝、s i l & m 和e p r o m e e p r o m 三种。 1 反熔丝：a c t e l 以烧录的方式来编程。在未烧录前，a n t i f u s e 保持o p e n 状态。 若在烧录的过程中有大量的电流通过，a n t i f u s e ：降编程s h o r t 状态。a n t i f i l s 的延迟 要比s r a m 或者e p r o m ，e e p r o m 的要短，制造上的面积也较小，但是a n t i f u s e 不能被重复烧录。 2 s r a m ：x i l i n x 和a l t e r a 的许多产品部使用s r a m ( s t a t i cr a m ) 技术。最大 的优点是它可以无数次重复编程。但是若将其置于系统之中，却需要一个额外的 第二章f p g a 、s o p c 技术及v i - i d l 语言介绍 r o m ，在每次起始时将资料传到f p g a 中。因此也由于这颗额外的r o m 使得设 计相当容易被抄袭。 3 e p r o m e e p r o m ：a l t e r am a x5 0 0 0e p l d s 和x i l i n xe p l d s 都使 e p r o m e e p r o m 作为它们的编程技术。它们可以在某种次数限制下重复烧录。 图2 1 1f p g a 的结构 可重构逻辑结构( p r o g r a m m a b l el o g i cs t r u c t u r e s ) 的大规模f p g a 可编程器件 的结构由如下所示三大部分组成，尽管f p g a ，c p l d 和其他类型p l d 的结构各 有其特点和长处，但总体基本一致： 位于芯片中央的可编程逻辑块( 逻辑单元) ： 位于芯片四周的可编程i o ： 分布在芯片各处的可编程布线资源。 可编程逻辑器件要实现芯片上集成系统，还需要具有第四种资源：片内r a m 。 可编程逻辑器件的结构可以分为细粒度和粗粒度两类。根据逻辑块和输入 输出块的功能大小不同来决定此种结构是细粒度还是粗粒度的。 粗粒度：此种逻辑块和输入输出块包含相对大数量的可编程性能。这些结构 也倾向于使用复杂的连线资源。 细粒度：此种逻辑块为一小的、相对简单的核。 细粒度结构导致器件开始向门阵列发展。因为细粒度器件没有粗粒度器件那 么复杂，细粒度器件的预编译、布局与布线分析就比较简单，结果也比较容易预 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 计。在a l t e r ac p l d 中，细粒度就是一个逻辑单；元( l o g i cc e l l1 ，包含一个4 输入 查找表和一个可编程的寄存器：而粗粒度就是逻辑阵列块( l o g i ca r r a yb l o c k ) ，一 般由8 个逻辑单元组成。 目前可编程逻辑器件正朝着为设计者提供系统内可再编程的能力方向发展， 也就是说，可编程逻辑器件不仅要具有可编程和可再编程能力，而且还要具有把 器件插在系统内或电路板上，就能对其进行编程或再编程。这就为设计者进行电 子系统的设计和开发提供了新的实现手段。采用系统内可再编程m s y s t e m p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 技术，使得系统内硬件的功能可以象软件一样 坡编程和配置，从而可以实时地进行灵活和方便的更改和开发。这种称为“软” 硬件的全新的设计概念，使新一代的电子系统具有极强的灵活性和适应性。它不 仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而 且使电子系统具有多功能的适应能力为实现许多复杂的信号处理和信息加工提 供新的思路和方法。 不断地提高集成电路工艺水平以及不断地改进器件本身的内部结构，部将使 可编程逻辑器件的性能得到提高。采用深亚微米技术和更多层的金属布线以及器 件结构本身的改进，使得可编程逻辑器件的集成度和运行速度有极大的提高。 在结构上，可编程逻辑器件也将有很大的改进，主要有下面几点： ( 1 ) 芯片内将包含内置的逻辑分析装置，支持d a 和a d 并包含达到5 0 0 m h z 的差分接口： ( 2 ) 采用片内锁相环，支持高速时钟，并减少信号的畸变，实现时钟的复用： ( 3 ) 提供更为丰富的布线资源，进步简化逻辑和i o 功能块： ( 4 ) 随芯片线宽的缩小，芯片的工作电压相应降低，i o 块必须具有兼容几种 电压标准的能力，保证新的工作电压下器件能与前几代的器件在不同电压下兼 容。 最新f p g a 器件在复杂设计、增加总的逻辑资源、改进布线与软件以及在系 统中对器件进行编程的能力方面正在仿照a s i c 。深亚微米技术使可编程器件的 逻辑单元更小，同时一些产品采用部分存储器结构作为专用存储器而不仅作为逻 辑切换驱动器。此外，可编程密度已在传统上限制了性能和密度。这促使一些厂 商考虑将a s c 和f p g a 技术混合，以生产出能按用户编程定制的高性能、高密 第二章f p g a 、s o p c 技术及v h d l 语言介绍 度的混合功能器件。 2 2 s o p c 技术和i p 核 2 2 1s o c 和i p 重用的设计方法 系统芯片( s o c - - s y s t e m o n c h i p ) 和i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 重用技术是 崭新的二十一世纪集成电路发展技术的必然趋势，为适应科技发展和市场竞争的 需要，系统设计者不断寻求更短的上市时间，更高的性能和更低的成本，这些都 是推动s o c 需求的主要因素。s o c 的出现导致了i c 业的分工，并且向虚拟再 集成的模式发展。 今天的i c 业和许多构成佗业价值链的焦点专业分层，将继续沿着己经走了 十几年的分工之路走下去，即从垂直结构逐步向水平结构过渡。这种分工促进了 s o c 技术的成眭，缩短了上市周期，降低了芯片造价，提高了经营效率。s o c 技术的复杂度很高，大大加重了发计负担，采用核重用技术可以简化多功能 芯片的设计，验证过的田核可以向更小几何尺寸移植，这样可以考虑更高集成 度和更高速度。s o c 一般是由统一的总线结构连接起来的【p 核的聚集，现在， 有许多商用或非商用的总线结构在使用。s o c 的设计流程是一个相当庞大的过 程，涉及到体系架构的设计、软硬件协同设计和划分、前端设计、后端设计和测 试调整等，其中前端设计包括结构设计、系统仿真、代码设计、高层次综合、验 证、前仿真和后仿真等。口核的设计也采用这样的设汁流程，其设计和验证仿 真测试规模相应都小一些。 2 2 2 面向系统集成的s o c 技术的发展 半导体产品在制造与应用对立统一发展中，总是沿着通用与专用循环往复上 升，不断推动电子信息技术的创新活动向高级发展。1 9 5 9 年仙童公司推出第一 个硅平面晶体管商品，经过约十年的摊广开始了半导体产品特征的第一个通用 循环周期；1 9 6 1 年仙童公司又推出第一个硅平面i c 商品，这类【c 面向如计算器、 电视机等不同的电子装置，又是一种标准构件，称为专用标准产品f a s s p l ，标志 产品应用特征进入了第一个专用循环周期。7 0 年代初英特尔公司开发成功微处 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设汁 理器( m p 叭芯片，是对晶体管标准构件的一次飞跃，从而使产品螺旋上升到一个 新的通用循环；8 0 年代，随着半导体制品成本不断下降和发计工具的长足发展， 推动了一个产品满足一个用户要求的专用集成电路( a s i c ) 的发展，其中特别是预 制母片的掩模编程技术，大大折衷了造与用的不同利益，使半导体产品转入高一 级专用特征循环。但是这种掩模硬编程专用电路，对双方仍不够方便，因此在 8 0 年代末、9 0 年初又发展了诸如现场可编程门阵( f p g a ) 等一类的用户自编程专 用电路等，满足了在系统上进行软编程，反复改变电路硬功能适应系统最终要 求，从而使产品特征进入了一个全新概念的准通用循环；随着a s i c 设计技术和传 统l s 开发经验的大量积累【c 开始向i s ( 集成系统) 或单芯片系统( s y s t e mo i la c h i p ，s o c ) 发展。 当前，在s o c 循环周期中，电子系统的设计已经从过去纯硬件间的布局上 升到硬、软件两个完全不同范畴闻的功能划分和布局，这种在硅芯片上的高层次 综合，完全改变了品体管通用循环周期的认知模式和方法论特征，电子设汁方法 从过去的基于芯片的设计，过渡到现在的基于库的设计，即当前的基于可重用知 识产权( i p ) 库、面向物理布线的嵌入式设计阶段。 系统级芯片( s y s t e mo nc h i p ) 是半导体微细加工工艺精度提高、集成电路集成 度高度发展的必然结果。系统级芯片将整个系统集成到单一半导体芯片上，确切 地说系统级芯片结合了数字和模拟技术，将o 、各种转换器件、存储器和 m p u 集成在同一封装内，能够高效实现特定的功能。 【c 发展的大趋势是高速、高集成度和低功耗的系统集成。随着深亚微米级的 工艺加工水平向0 1 8 微米迈进，在单一芯片上已经具备集成上百兆晶体管的能 力。系统级芯片能够提高半导体器件的电气性能，改善系统的可靠性，降低大多 数应用所需的p c b 面积，受到普遍欢迎。采用系统级芯片是整机制造商的必出 之路。 系统级芯片具有的优点：减少研发费用与时间，降低功牦，体积与电磁干扰 提高系统的抗干扰性与可靠度，这对产品更新速度极快、对电磁干扰与抗干扰能 力要求极高而又要求产品具有便携性的电脑、通讯及多媒体产品而言，具有重大 意义。 目前系统级芯片的技术瓶颈包括：( 1 ) e d a 工具的能限。现有e d a 工具的 第二章f p g a 、s o p c 技术及v h d l 语言介绍 处理能力已赶不上芯片工艺的发展。( 2 ) p 模块的兼容性。在综合几个不同来源 的模块时，逻辑综合软件由于不能改变硬口模块的内部逻辑与时序，从而使 整个芯片的速度面积比及时序预算不能达到最佳值，影响了芯片的整个性能。另 外是缺乏统一标准的虚拟模拟界面。( 3 ) 深亚微米级的挑战。在深亚微米阶段， 门锁效应、短沟道效应的影响将更为显著，同时金属层之间的交叉效应以及模块 间的信号规整度都对芯片的性能产生极大的影响。( 4 ) 钡f j 试、封装及散热技术的 困难，系统级芯片的测试复杂度急剧提高，封装成本上升和散热材料的研发也是 需要面对的问题。 2 2 3 基于i p 复用技术进行s o c 设计 是i n t e l l e c t u a lp r o p e r t v 的简写，中文意思为知识产权，它是s o c 最重要的 标志，可定义为密封在硬件设计中的可重复利用的软件。核分为软核、硬核 和固核三种。软核包括逻辑描述( r t l 和f j 级v e r i l o gh d l 或v h d l 代码) 、器件 内部连线表和不能用外部仪器进行的可测性设计。软核可经用户修改，以实现所 需要的电路系统，它主要用于接口、编码、译码、算法和信道加密等对速度性能 要求范围较宽的复杂系统。硬核的设计与工艺已完成且不能更改，其具体形式如 存储器、模拟电路和总线器件等。用户得到的硬核仅是产品功能而不是产品设计， 因此，硬核的设计的知识产权的保护也较简单。固核是一种介于软核与硬核之问 的，可根据用户要求作部分修改。固核允许用户重新定义关键的性能参数， 内部连线表有的可以重新优化，其使用流程同软核。 软核开发工作量相对低，因此一般开发成本较低，柔性大，如可增加特性或 选择工艺并容易从个工艺向另一个工艺转移，且性能可提高，但可预测性差。 硬核的开发成本最高，柔性小，但性能一定并具有可预测性。更重要的是上市时 间短，易于使用。固核介于硬核与软核之问，口用户将从实用、性能、价格、 上市时间等各种因素综合考虑选择口。软核和硬核的设计工作量、殴计预测性 和性能的差异是由它们不同的设计流程所决定的。 口的实用例子很多，较典型的口有：m p e g 核( 图像市场) 、m d c ( 网络市场) 、 存储器、a r m ，m i p s ，s p a r c ( p d s c 微处理器) 等。 重复利用的优点有三个：其一是可以提高设计能力节省设计劳力，有效填 基于f p g a 的谐波分析仪的研究与设计 平【c 的设计与制造之间鸿沟：其二是大大缩短上市周期；其三是更好地利用现有 的工艺技术，降低成本。基于口复用技术的设计重用方法将会提高s o c 的开发 效率，并逐渐成为一种主流方法。模块是殴计重用的关键部分以及结束“设 计间距”唯一有效的方法，如果没有它，半导体生产商和o e m 供应商根本无法 达到今天己经达到的水平。 我国i c 设计业在以往的几十年一直徘徊在世界j 笛片业的外围，因为它必须 一直面对“或者设计出整个奔腾，或者完全被排除在设计业之外”的尴尬局面。 i c 垃计业的最新一轮分工为打破这种局面提供了一个适合我国国情的切入点。 高端芯片的电路过于庞大和复杂，并不容易设计成功。库的建立则把“系统 集成”与“功能模块设计”分开，分散了设计难度和规模。根据p c 机的经验， 只要i p 阵容整齐，设计自主知识产权的高端芯片产品将成为可能。从国际方面 看，巴产业是进入国际市场的最好切入点。我国以电路算法著称，将算法与【c 、发计结合成为是我国力所能及的，如果引导得当，甚至可望在“十五”期间 成为田出口大国，从而结束我国【c 设计产业长期落后的态势。 近年来国家己经在【p 产业上有了很大的动作。科技部于2 0 0 0 年启动了“十 五”国家8 6 3 计划超大规模集成电路s o c 专项工作。预期通过这一努力初步建 成具有自主知识产权、品种较为齐全和管理科学的国家级碑核库；并掌握国际水 平的s o c 软硬件协同殴计、i ：p 核复用和超深亚微米集成电路设计的关键技术。 我国口产业正在从概念阶段向实用阶段过渡。 2 2 4q u a r t u s 【软件及流水线设计简介1 8 2 0 0 4 年2 月4 目，香港a l t e r a 公司宣布4 0 版q u a r t ，1 sn 设计软件 正式发布。q u a r t u s 【i 软件为大容量f p g a 殴计提供了最先进的技术，允许发计 者充分地发挥a l t e r a 器件的全部潜力。新版q u a r t u si i 软件具有业界最易用 的设计流程、系统设计能力、时序收敛和验证方案，能够为f p g a 设计提供最 先进的开发环境，成为业界的里程碑。在系统设计中我们将使用功能强大的 q u a t r u s 4 ，0 软件来完成设计任务。 q t , a r t u si i 软件结合了a l t e r ae d a 伙伴的技术，为大容量f p g a 提供业 界最先进的设计方法。a l t e r a 的q u a a u s 软件是唯一允许设计者针对 第二章f p g a 、s o p c 技术及v h d l 语言介绍 f p g a 和结构化a s i c 进行无缝开发的设计环境。q u a r t u si i 软件采用了 a l t e r a 的l o g i c l o c k 设计方法，是一款非常优秀的f p g a 设计工具，能够提 供真正的模块化设计流程，这在支持团队没计上是无可匹敌的。而且，a l t e r a 的q u a r t u si i 软件是唯一具有工业标准t c l 脚本接口的f p g a 设计工具，允 许设计者在g u i 和脚本设计技术之间混合使用。新版的q u a r t u si i 软件采用了 新的存储编译器的波形生成器，它通过动态地产生用户参数化存储结构的操作波 形显示，图形化地支持了“w h a ti f ”分析，从而进一步加快了设计进程。图2 2