（检测技术与自动化装置专业论文）生物电阻抗成像数字化系统设计.pdf

中文摘要 生物电阻抗成像技术白创建以来以其成本低、体积小、对人体无害且可连续 监护等特点，成为一种很有发展前景的无损检测技术。 当前生物电阻抗成像技术中广泛采用的模拟滤波器成为影响成像速度的瓶 颈，而且由于截止频率的原因，其速度提高的空间有限；模拟滤波器和模拟解调 由于受到模拟器件自身精度的限制和电路板卡设计等诸多因素的干扰，进一步提 高精度受到限制。 针对生物电阻抗成像技术存在的上述问题，作者提出了生物电阻抗成像技术 数字化系统的研究方案，主要研究工作和结果如下： 1 、在原系统的基础上设计并完成了生物电阻抗成像技术的数字化的硬件系 统，对原系统进行了改进： 2 、系统基于d s p 与f p g a 协调工作，为将来硬件升级改进提供了开发空间； 3 、设计了基于c y c l o n e 芯片的数字滤波、f i f o 、数字解调算法，并进行了 相应算法编译和仿真； 4 、对数字滤波算法进行了较深入的研究，对较流行的全并行算法和分布式 算法进行对比，并对其进行细致的基于t e s t b e n c h 的仿真，其中t e s t b e n c h 编写 中运用了多种方法，仿真结果表明算法效果良好。 最后，作者提出了本系统尚需进一步改进的意见。 关键词：生物电阻抗成像系统数字化 f p g ad s p 数字滤波数字解调p g a a b s t r a c t c h a r a c t e r i z e db yt h el o wc o s t ，s m a l lv o l u m e ，n o n i n v a s i v e n e s st oh u m a nb o d i e s ， c o n t i n u o u sm o n i t o r i n ga n do t h e ra d v a n t a g e s ，t h et e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a le l e c t r i c a l i m p e d a n c et o m o g r a p h y h a sb e c o m eav e r yp r o s p e r o u sn o n - d e s t r u c t i v ed e t e c t i n g t e c h n o l o g ye v e rs i n c ei t si n v e n t i o n a n a l o g u ef i l t e r , w h i c hi sw i d e l ya d o p t e di nt h et e c h n o l o g yo f b i o l o g i c a le l e c t r i c a l i m p e d a n c et o m o g r a p h y , h a sb e e nt h eb o t t l e n e c k o fi m a g i n gs p e e d m o r e o v e r , i t s c a p a c i t yt oe n h a n c et h es p e e di sl i m i t e dd u et ot h ep e r f o r m a n c e so fc u t - o f f 行e q u e n c y t h ed e g r e eo ft h ep r e c i s i o ni m p r o v e m e n ti sl i m i t e di n t h ea n a l o g u ef i l t e ra n d a n a l o g u ed e m o d u l a t i o n ，w h i c ha r ei n t e r f e r e dw i t ht h el i m i t a t i o no ft h e i n t r i n s i c p r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c e so f t h ec a r do fc i r c u i tb o a r da sw e l la sm a n y 6 t h e rf a c t o r s a i m e da t s o l v i n gt h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l e m s i nt h e b i o l o g i c a le l e c t r i c i m p e d a n c et o m o g r a p h y , t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h es t u d yo nt h ed i g i t a l i z e ds y s t e m o ft h eb i o l o g i c a le l e c t r i ci m p e d a n c et o m o g r a p h yt e e l m o l o g y t h em a i nr e s e a r c hw o r k a n da c h i e v e m e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h ed i g i t a l i z e dh a r d w a r es y s t e mo f b i o l o g i c a le l e c t r i ci m p e d a n c et o m o g r a p h y t e c h n o l o g y i sd e s i g n e da n da c h i e v e do nt h eb a s i so ft h ef o r m e rs y s t e m , w h i c h h e r e i n t oh a sb e e ni n n o v a t e d 2 t h ed e s i g n e ds y s t e mi sb a s e do nt h ec o i l a b o r a t i o no fd s pa n df p g at o p r o v i d es p a c ef o rt h ef u t u r eu p g r a d i n go f h a r d w a r e s ， 3 i td e s i g n st h ed i g i t a lt i l t i n g ，f i f oa n dd i g i t a ld e m o d u l a t i n ga l g o r i t h mo nt h e b a s i so f t h ec y c l o n ec h i p ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mc o m p i l a f i o na n de m u l a t i o n a r ea l s oc o n d u c t e d 4 i tf u r t h e r st h es t u d yo na l g o r i t h mo fd i g i t a lt i l t i n g , c o m p a r e st h en o w a d a y s p r e v a l e n tf u l l yp a r a l l e la l g o r i t h ma n dd i s t r i b u t e da l g o r i t h m ；a n dm a k e se l a b o r a t e e m u l a t i o nb a s e do nt e s t b e n c h ，w h i c hi sc o m p i l e dw i t hm a n ym e t h o d s t h er e s u l to f e m u l a t i o np r o v e st h a tt h ea l g o r i t h mh a sb e e no f g o o de f f e c t f i n a l l ys o m es u g g e s t i o n st of u t t h a ri m p r o v et h es y s t e ma r ep r e s e n t e db yt h e a u t h o r , k e yw o r d s ：b i o l o g i c a le l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y , d i g i t a l i z e d ，f p g a ，d s p , d i g i t a lt i l t i n g ，d i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，p g a 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者躲均怎刚签字嗍时年月妙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权玉叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：均嚣7 训 签字日期：埘年月店日期 彳了月 彳 ， 弘 一 办 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 第一章绪论 生物阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量。 生物阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性 阻抗、导纳、介电常数等) 及其 变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。 断层成像技术作为- - f q 新兴的图像诊断技术，在医学诊断中起着越来越重要 的作用。人们利用多种手段探求重建人体断层分布图像方法，其中电阻抗断层成 像技术由于具有许多优点，引起了人们广泛的兴趣。它的原理是基于这样一个事 实：人体内不同的组织具有不同的电导率( 电阻率) ，因此，如果能形成人体电导 率分布的图像，就可显现人体的不同组织。实践证明，人体各组织的电导率( 电 阻率) 随着健康状况的变化而变化。因此，我们可以根据电导率的大小来区别正 常组织和非正常组织。 1 1 医学成像技术的意义及发展概况 自从第一台c t t ”问世以来，人们纷纷根据类似的思想，去探求质量更好的 断层成像方法和装置。当前在临床应用中常见的c t 有x 射线c t 、超声波c t 和核磁共振c t 。 生物电阻抗层析成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ) 是从二十世纪七 十年代末开展并迅速发展起来的- - f q 新兴技术，虽然其用于生物组织电阻抗成像 相对较晚，但由于其具有广阔的应用前景，己引起了人们极大的研究兴趣。 医学研究表明，人体各个组织( 器官) 具有不同的阻抗特性，而且一些病理 现象和生物活动均会引起人体组织阻抗的变化，因此生物组织阻抗携带着丰富的 病理和生理信息。通过一定的技术处理，能得到生物体各组织的阻抗分布图像， 并通过图像处理，分析和研究生物体的病理和生理状况，这在临床上具有很高的 实用价值。 1 1 1 几种常见的断层成像技术 目前，临床应用的成像技术主要有：x 射线成像技术、超声成像技术和核磁 共振成像技术。 x 射线2 i c t 是目前技术最成熟，应用虽多、临床经验也最丰富的一种。x 射线源和检测手段的使用已有较长的历史，x 射线c t 所采用的透射法在成像原 第一章绪论 第一章绪论 生物阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量。 生物阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性 阻抗、导纳、介电常数等) 及其 变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。 断层成像技术作为- - i 3 新兴的图像诊断技术，在医学诊断中起着越来越重要 的作用。人4 f 1 - f 0 片j 多种手段探求重建人体断层分布图像方法，其中电阻抗断层成 像技术由于具有许多优点，引起了人们广泛的兴趣。它的原理是基于这样一个事 实：人体内不同的组织具有不同的电导率( 电阻率) ，因此，如果能形成人体电导 率分布的图像，就可显现人体的不同组织。实践证明，人体各组织的电导率( 电 阻率) 随着健康状况的变化而变化。因此，我们可以根据电导率的太小来区别正 常组织和非正常组织。 1 1 医学成像技术的意义及发展概况 自从第一台c t 【1 1 问世以来，人们纷纷根据类似的思想，去探求质量更好的 断层成像方法和装置。当前在i 临床应用中常见的c t 有x 射线c t 、超声波c t 和核磁共振c t 。 生物电阻抗层析成像技术( e l e e t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ) 是从二十世纪七 十年代末开展并迅速发展起来的一门新兴技术，虽然其用于生物组织电阻抗成像 相对较晚，但由于其具有广阔的应用前景，已引起了人们极大的研究兴趣。 医学研究表明，人体各个组织( 器官) 具有不同的阻抗特性，而且一些病理 现象和生物活动均会引起人体组织阻抗的变化因此生物组织阻抗携带着丰富的 病理和生理信息。通过一定的技术处理，能得到生物体各组织的阻抗分布图像， 并通过图像处理，分析和研究生物体的病理和生理状况，这在临床上具有很高的 实用价值。 1 1 1 几种常见的断层成像技术 目前，临床应用的成像技术主要有；x 射线成像技术、超声成像技术和核磁 共振成像技术。 x 射线2 i c t 是目前技术最成熟，应用最多、临床经验也最丰富的一种。x 射线源和检测手段的使用已有较长的历史，x 射线c t 所采用的透射法在成像原 射线源和检测手段的使用已有较长的历史，x 射线c t 所采用的透射法在成像原 第一章绪论 理上比较简单，所谓透射法是将放射源置于受检体的一侧，而将检测器置于另一 侧，放射性射线通过受检体时衰减，衰减值反映了射线经过透射路径被吸收的情 况，显然其数值决定了相应路径上受检体的组织结构，由此可以重建人体的断层 图像。但x 射线和放射性同位素会对人体组织产生一定程度的伤害，因而x 射 线c t 不宜长期使用，在很多情况下( 如对孕妇进行临床检查) 根本不能使用。 超声波c t t 3 1 是用超声波完成扫描过程，从而避免了x 射线对人体的放射性 危害，是目前最安全的一种成像系统，可用于包括妇产科在内的临床检查，但超 声在人体中的急剧衰减也限制了其应用。 相对而言，核磁共振h 是一种新的检测工具。人体组织中含有大量的水，因 而人体中存在大量的氢原子核，它们具有固定的磁特性。当人体位于强磁场时， 体内氢原子便按磁场方向进行排列。当人体中的氢质子产生核磁共振时，其共振 信号反映了受检体的氢质子密度。用这种共振信号来重建图像，就会得到人体的 质子密度分布图像。若突然切断该信号，那么氢原子核又趋于原排列方向，同时 发出一种很弱的、具有特征频率的信号，核磁共振c t 便利用此信号蕴涵的信息 进行重建图像。但是，核磁共振c t 的空间分辨率和成像时间均比x 射线c t 差， 而且心跳、呼吸等生理学运动会导致运动伪影和信号对比不足，使图像质量变差。 此外，核磁共振的价格和维持运转费昂贵，使褥其成为各种c t 设备中最庞大、 价格最昂贵的医疗诊断设备。 1 1 2 生物阻抗成像 电阻抗成像( e r r ) 1 5 技术是一种无创伤的，以测量人体内部电阻率的分布为目 标的重建体内组织图像的技术。人体是一个大的生物电导体，各组织、器官均有 一定的阻抗，当人体的局部器官发生病变时，病变部位的阻抗必然与其他部位不 同，因此可以通过人体阻抗的测量来对人体器官病变进行诊断。 e i t 6 1 技术是通过配置于人体体表的一组阵列电极施加一定频率的低幅值交 变电流激励，并通过扫描阵列电极得到一组电压数据，提取与人体生理、病理状 态相关的组织或器官的电特性( 阻抗、导纳、介电常数等) 信息，给出结构及功能 性结果。 e i t 中所加的交流激励频率一般在1 0 k h z 1 m h z 之间，峰一峰值在1 0 m a 以 下，符合美国国家标准局( a n n s i ) 的规定。因此e i t 对人体不会造成任何伤害且 能够进行连续检测，可应用于心血管系统、消化系统功能监测以及肺功能的检测 等诸多领域【7 j 。其技术成本低廉( 约为x c t 的1 1 0 ) 、体积小、可以多次测量和 重复使用的特点，可成为对病人进行长期连续监护而不给病人造成损伤或带来不 适的医院监护设备。因而e i t 是一种理想的、有诱入应用前景的无损探测技术， 第一章绪论 已成为生物医学领域的重大研究课题，引起国内外临床医学和生物医学工程学界 的广泛重视。因此，e i t 技术的诸多优点是其他成像技术无法比拟的。 1 2 e l t 技术的发展现状 近年来，e 1 t 作为一种有广泛应用前景的新型成像技术”j ，一直是国外电阻 抗领域研究的热点口】，有许多国家的e i t 小组先后设计并实现了基于物理模型或 i 临床基础研究的硬件系统。 1 9 8 4 年，英国s h e f f i e l d 大学的b a r b e r 和b r o w n 等学者设计了外加电势层析 成像系统( 简称a p t ) ，对1 6 个阵列电极进行激励和检测，并对测量结果进行 反投影得到阻抗分布图像。虽然其试验图像分辨率尚差，但己能反映组织结构分 布。从此以后，人们对e i t 的兴趣与日俱增。1 9 8 6 年，第一届e i t 专题国际会 议在英国s h e f f i e l d 大学召开，参加会议的有四个国家的九个研究小组。1 9 8 9 年 美国西雅图的i e e e 生物医学工程学术会议和1 9 9 0 年丹麦哥本哈根的欧共体e i t 专题讨论会时，已有1 2 个国家的2 7 个研究小组在进行e i t 研究工作了。在1 9 8 7 年和1 9 9 3 年的两次国际电阻抗学术会议( i c e b d 上，e i t 也是重点交流的领域。 e i t 以其无损伤、低成本的功能性图像吸引了越来越多的研究者。1 9 9 3 年，r o b e r t 等人提出了基于上述系统的实时a p t ( a p p l i e dp o t e n t i a lt o m o g r a p h y ) 系统，采用 加权反投影技术，每秒可产生2 5 幅图像，从而实现了连续动态成像。1 9 9 4 年， p e t e r 等人也报告了一种基于a c t ( a d a t i v ec u r r e n tt o m o g r a p h y ) 的实时成像系 统，利用3 2 个阵列电极，每个电极都配有一套激励模块和一套测量模块，同时 对3 2 个电极施加激励并检测其电压，每秒生成1 8 幅图像。1 9 9 5 年英国s h e f f i e l d 大学的r w m s m i t h 报告了一种采用外加电位断层成像( a p p l i e dp o t e n t i a l t o m o g r a p h y ) 方法的e i t 仪器系统。它使用1 6 个电极组成的环形阵列，有一个公 共的电流源分时切换给不同的电极对施加测量电流。这一系统的最大特点是成像 速度高，可实现每秒2 5 帧的实时动态处理。总之，国外对e i t 的研究已取得了 一系列令人鼓舞的成果。从激励模式看有对极激励、多极激励、感应激励等。重 建算法有振动法、双限定法、牛顿一拉夫逊法、自适应法、敏感性法、等位线法 等。 虽然国内目前对生物传感器的研究相对落后国外十年左右，但是近年来已有 不少国内科技工作者在生物阻抗方面的研究工作取得了一定的成果。1 9 9 1 年， 清华大学黄平等人提出了一种基于低频电流场灵敏度系数的迭代重建算法，第四 军医大学付峰等也对修正的牛顿一拉夫逊法进行了计算机模拟研究。1 9 9 5 年西 安交通大学生物工程研究所曾利用生物阻抗变化的波形图分析呼吸状况，但还未 生成断层阻抗图像。 分析国内外的状况，e i t 技术虽取得了很大进展，但达到i 临床实用阶段尚有 第一章绪论 许多基础研究需要进一步探讨。过去人们进行的工作主要是针对重建算法的研究 改进，但是对于提高成像系统的空间分辨率并达到实时、在线成像要求，e i t 检 测系统的硬件设计与重建算法的研究同等重要。 1 3 本课题研究工作的主要设想和内容 1 3 1 课题的提出及整体设想 由于在以往的e i t 硬件系统【9 中，测量系统广泛采用的解调方法是模拟乘法 器解调，其过程是：被测量信号与参考信号进入模拟乘法器进行乘法器解调，解 调完成后的信号进入低通滤波器将交流分量滤除，保留直流分量以取得被测生物 组织的阻抗信息。在测量环节中低通滤波器【l ”成为系统成像速度的瓶颈，低通 滤波器的响应时间在2 0 0us 左右，而一个通道的信号测量、解调过程约为2 0 0 3 0 0 us ，可见低通滤波器响应时间占据了整个过程耗时的绝大部分，而且低通滤 波器的响应速度由于截止频率的关系提高的空间不大。同时模拟滤波器和模拟解 调由于受到模拟器件自身精度的限制和电路板卡设计等诸多因素的干扰，也存在 着精度问题。为此，对目前的e i t 硬件系统进行数字化改造已成为迫切的需要。 利用三角函数正交性，系统设计了数字化解调方法，即；将被检测信号通过 抗混叠滤波器后进入高速a d c 进行采样，然后进入f p g a 内部实现的f i r 数字滤 波器进行数字滤波，最后通过数字化正交解调算法将阻抗的实部和虚部求出。其 中数字滤波器设计为带通滤波器，将系统激励频率设定为滤波器中心频率，通过 窗函数设计法在f p g a 内部实现f i r 数字滤波器。 这种方案中，a d c 的精度和正弦信号每周期采样点数直接影响数字解调的精 度。理论分析和仿真证明a d c 的精度和每周期采样点数增加都会提高数字解调的 精度。 通过系统仿真实验，计算数字解调算法相对误差，可以得到以下结果 ”】： 1 6 位a d 每周期采样1 6 点，相对误差为0 1 ； 1 6 位a d 每周期采样4 点，相对误差为0 4 ： 1 2 位a d 每周期采样1 6 点，相对误差为2 5 ； 1 2 位a d 每周期采样4 点，相对误差为9 5 。 由于高精度a d c 器件速度问题，系统设计采用1 2 位超高速a d 每个周期采 样1 6 个点。 第一章绪论 1 3 2 课题的主要内容 课题旨在构建一套数字化的e i t 系统，具体工作包括 1 、建立一整套数字化e i t 硬件系统，包括f p g a 最小目标系统、激励选通 电路、混合电压测量板、d s p 主控单元的设计； 2 、编制数字滤波和数字解调算法、f i f o 、整体控制单元和与d s p 通讯单元 的v h d l 语言程序； 3 、对实现的算法进行了多种方法的仿真，包括数学模型和v h d l 代码实现 的功能； 第二章f p g a 系统的开发 第二章f p g a 系统的开发 2 1 f p g a 简介及芯片选型 2 1 1f p g a 简介 随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、工 业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，现场可编程门 阵列“刈( f p g a ) 的应用正以惊人的速度上升。f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程 器件的基础上进一步发展的产物，它的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性 和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低和可靠性高等 特点。 f p g a 器件是由大量逻辑宏单元构成的。通过配置，可以使这些逻辑宏单元 形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。正是f p g a 的这种硬件重构的灵活性，使得设计者能够将硬件描述语言( 如v h d l 或v e r i l o g h d l ) 描述的电路模型在f p g a 中实现。这样以来，在单片f p g a 中能实现许多完全 不同的电路结构和功能。如数字调制解调器、j p e g 编码器、数字通信系统，以 及网络接口等等。 随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多i e 靠l 造厂家涉足f p g a 领域。目 6 口世界上有十几家生产f p g a 的公司，最大的三家是：a l t e r a ，x i l i n x ，l a t t i c e ， 其中a l t e r a 和x i l i n x 占有了6 0 以上的市场份额。a l t e r a 公司自上世纪九十年 代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有： 1 a x 3 0 0 0 7 0 0 0 f l e x i o k ，a p e x 2 0 k ，a c e x l k ，s t r a t i x ，c y c l o n e 等。开发软件为 m a x p l u si i 和q u a r t u si i 。 2 1 2 芯片选型 c y c l o n e ”1 系列器件是a l t e r a 公司推出的一款低价格、中等密度的新型结 构f p g a 产品，采用0 1 3 “m 、全铜s r a m 工艺，1 5 v 内核，容量从2 9 1 0 到2 0 0 6 0 个逻辑单元( l e ) ，并嵌入了4 级最多为6 4 个r a m 块( 1 2 8 x 3 6 b i t ) 。 c y c l o n e 器件主要的结构特点是除了逻辑功能块( l a b ) 之外，还采用了嵌入 式阵列块( e a b ) 。每个l a b 由1 0 个逻辑单元( l e ) 、l e 进位链、l a b 控制信号、1 个局部互联、l u t 链和寄存器链连接线构成。c y c l o n e 器件的e a b 由几列m 4 k 存 第二章f p g a 系统的开发 储器块构成，m 4 k 存储器块的工作频率可以达到2 0 0 m h z 。每个m 4 k 存储器块能够 实现各种不同的功能块，包括双端口r a m 、单口r a m 、r o m 、移位寄存器块和f i f o 缓冲区。嵌入式存储器能够实现数字信号处理中的移位寄存器块，例如在系统中 数字滤波器f i r 模块中即可充分利用嵌入式存储器实现移位寄存器功能。为了增 加灵活性，每个模组的输入和输出端口可以配置成不同的宽度，支援独立的时钟， 还有奇偶校验位作为差错控制。c y c l o n e 系列f p g a 器件由a l t e r a 公司的 q u a r t u si i2 2 版以上开发软件支持，该系列芯片特性如表2 一l 所示。 表2 - 1c y c l o n e 系列芯片特性 f e a t u r ee p l c 3e 阱刳e p l c 6p lc _ 1 2即c 龃 2 粤1 04 0 。 b 铋e1 20 s o k r m b 垃i 略1 2 5x3 8 b i 蛳1 31 72 0昭s 4 5 n 9 0 4张3 驺9 2 。1 垂2 3 9 蓐1 6 2 驰g 雌 p 12 蝴韧w m s 盯l t 0 嚆n s 1 0 41 8 65 0 1 c y c l o n e 器件支持大量的片外数据传输的单端i o 标准，可由i o e ( i o e l e m e n t ) 灵活配制，包括l v t t l 、l v c m o s 、p c i 、s s t l 一2 和s s t l 一3 等电平标准。 为满足设计者数据和信号传输能力的需要，c y c l o n e 器件设有高达3 1 1 m b p s 的低 压差分信号( l v d s ) 通道。 图2 - 1e p l c 6 结构 第二章f p o a 系统的开发 c y c l o n e 器件有八个全局时钟，横跨整个器件，从四个专用管脚输入。每个 c y c l o n e 的p l l 均有输出抽头，为完整的系统时钟管理提供了频率变换和相位偏 移功能。 总之，c y c l o n e 器件具有成本低、速度快、i o 引脚丰富、嵌入式阵列块配 制灵活、具有锁相环等特点。经综合比较，本系统采用c y c l o n e 系列的e p l c 6 芯片，芯片结构如图2 - 1 所示。 2 2 基于o u a r t u s i i 的f p g a 开发 2 2 1o - a r g u s 简介及其开发流程 q u a r t u s l i 【1 3 堤a l t e r a 公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境，提供从 设计输入到器件编程的全部功能。q u a r t u si i 设计工其完全支持v h d l 、v e r i l o g h d l 的设计流程，其内部嵌有v h d l 、v e r i l o gh d l 逻辑综合器。同时q u a r t u s i i 可 以产生井识别e d i f 网表文件、v h d l 网表文件和v e r i l o gh d l 网表文件，为其他e d a 工具提供了方便的接口，可以在q u a r t u s 集成环境中自动运行其它e d a - 具。 基于q u a r t u $ i i 的f p g a 开发基本流程如图2 2 所示。 图2 - 2 ( ) u a r t u si i 的基本开发流程 利用q u a r t u si i 软件的开发流程概括为以下几步： ( 1 ) 设计输入 q u a r t u si i 软件在f i l e 菜单中提供“n e wp r o j e c tw i z a r d ”向导，引导设计 第二章f p g a 系统的开发 者完成项目的创建。当设计者需要向项目中添加新的v h d l 文件时，可以通过 “n e w ”选项选择添加。 ( 2 ) 设计编译 q u a r t u s i i 编译器完成的功能有：检查设计错误、逻辑综合、提取定时信息、 在指定的a l t e r a 系列器件中进行适配分割、产生的输出文件将用于设计仿真、延 时分析以及器件编程等。 首先确定软件处于c o m p i l em o d e ，可通过p r o c e s s i n g 菜单进行选择。 在p r o c e s s i n g 菜单中选择c o m p i l e rs e t t i n g s 项。其中包括器件选择、模 式设定、综合和适配选项设定及设计验证等。 选择p r o c e s s i n g 菜单下的“s t a r tc o m p i l a t i o n ”项，开始编译过程。 查看编译结果。编译结果以树状结构显示在c o m p i l a t i o nr e p o r t 中，包含 项目的设置信息、编译设置以及编译效果等信息，同时包含了静态时序信息。 ( 3 ) 设计定时分析 通过p r o j e c t 菜单下的“t i m i n gs e t t i n g s ”选项，可以方便地完成时间参数 的设定。q u a r t u s i i 软件的时序分析功能在编译过程结束之后自动运行，并在编 译报告的t i m i n ga n a l y s e s 文件夹中显示。其中可以获得最高频率、输入寄存器 的建立时间、输出寄存器时钟输出的延迟和输入保持时间等时间参数的详细报 告，从中可以准确判定是否达到系统的时序要求。 ( 4 ) 设计仿真 o u a r t u s i i 软件允许设计者使用基于文本的向量文件( v e c ) 作为仿真器的激 励，也可以在q u a r t u s i i 软件的波形编辑器中产生向量波形文件( v w f ) 作为仿真 器的激励。通过q u a r t u s i i 的波形编辑器，首先编辑波形文件( v w f ) 用于仿真。 同时在p r o c e s s i n g 菜单下选择“s i m u l a t em o d e ”选项进入仿真模式，选择 “s i m u l a t o rs e t t i n g s ”对话框进行仿真设置。这里，可以选择激励文件、仿真 模式( 功能仿真或时序仿真) 等，单击“r u ns i m u l a t o r ”即开始仿真过程。完成 仿真后，可以通过时序仿真得到的波形来判断系统设计是否达到要求。 ( 5 ) 器件编程 设计者可以将配置数据通过通信电缆下载到器件中，通过被动串行( p a s s i v e s e i i a l ) 配置模式或j t a g 模式对器件进行配最编程，还可以在j t a g 模式下给多个 器件进行编程。利用q u a r t u s i i 软件给器件编程或配置时，首先需要打开编程器 ( 在n e w 菜单选项中选择打开c h a i nd e s c r i p t i o nf i l e ) ，在编程器中可以进行 编程模式设置( m o d e 下拉框) 、硬件配置( p r o g r a m m i n gh a r d w a r e 对话框) 及编程文 件选择( a d df i l e 按钮) ，将以上配置存盘产生e d f 文件，该文件存储了器件的名 称、器件的设计及硬件设置等编程信息。当以上过程正确无误后，单击s t a r t 按 第二章f p g a 系统的开发 钮即可开始对器件进行编程配置。 2 2 2o u a r t u s 与第三方e d a 软件接口 一般的设计开发中，f p g a 开发的各个流程模块均集成在同一个设计环境中， 它们通常由相应的i c 公司提供。但有时为了完成复杂的设计项目，或希望利用比 集成环境中相应模块具有更强大的功能及综合与仿真测试，往往需要使用第三方 的e d a 软件【i q 。 f p g a 设计的各个环节都有不同公司提供不同的e d a 工具。每个e d a i 具均有自 己的特点。一般情况，由f p 6 a 厂商提供的集成开发环境，例如q u a r t u si i ，在设 计综合与仿真环节并非最优，因此一般会提供第三方e d a 工具的接口，让用户更 方便地利用其他e d a 工具。这方面，作为e d a 集成开发环境的o u a r t u s i i 考虑较全 面，不仅可以产生并识另o e d i f 网表文件、v h d l 网表文件和v e r i l o gh i ) l 网表文件， 为其他e d a 工具提供了方便的接口，而且可以在o u a r t u s i i 集成环境中自动运行其 他e d a 工具。 一、s y n p l i f y ( p r o ) 与q u a r t u s i i 接口 s y n p l i f y ( p r o ) 是s y n p l i c i t y 公司出品的高效f p g a c p l d 逻辑综合工具。它 能以较高效率将v h d l 和v e r i l o gh d l 设计文件转换为针对选定器件的标准网表， 并提供相应设计环境的配置文件，生成相应的仿真网表，以便对原设计进行功能 仿真。s y n p l i f y ( p r o ) 具有资源共享和优化功能，并含符号化的f s m ( 有限状态机) 编译器，可以实现状态机优化。 s y n p l i f y ( p r o ) 在综合后生成针对器件的门级网表文件，把网表文件提供给 o u a r t u s i i 进行适配。针对a l t e r a 公司的器件，s y n p l i f y ( p r o ) 提供的网表文件 一般是e d i ff il e ( e d f ) 。 s y n p l i f y ( p r o ) 提供了多种的与o u a r t u s 接口方式，主要有以下两种： 1 、s y n p l i f yp r o 中直接调用 选择菜单“o p t i o n ”一“o u a r t u s i i ”一“r u nf o r e g r o u n dc o m p i l e r ” s y n p l i f y ( p r o ) 自动打开q u a r t u s i i 进行编译，如图2 3 所示。 第二章f p g a 系统的开发 图2 - 3s y n p l i f yp r o 中直接调用q u a r t u s i i 2 在q u a r t u si i 中执行s y n p l i f y ( p r o ) 生成的t c l 脚本 s y n p l i f y ( p r o ) 综合后会产生一些t c l 脚本，其中“ t e l ”用于 q u a r t u si i 。然后在q u a r t u si i 集成环境t c l 控制台中键入指令即可完成适配和编 译。 二、m o d e l s i m 与q u a r t u s i i 接口 m o d e l s i m 是一个基于单内核的v h d l v e r i l o gi d l 混合仿真器，属m o d e l t e c h n o l o g y 的产品。m o d e l s i m 是一个独立的仿真工具，其工作时并不需要其它软 件的协助。m o d e l s i m 的仿真分为功能仿真、时序仿真、布线后仿真三种。q u a r t u s i i 集成开发环境中给m o d e l s i m 留有相应的接口。 时序仿真m o d e l s i m 与q u a r t u si i 的接口： ( 1 ) q u a r t u s i i 可以输出用于仿真的v h d l 或v e r i l o g l 门级网表文件，输出 类型可在“v i t d ln e t l i s tw r i t e r ”中设置； ( 2 ) q u a r t u s i i 在编译后自动生成适配后的v h d l 门级网表文件： ( 3 ) m o d e l s i m 中新建一个项目，在项目中添加输出的v h d l 网表文件，然后在 m o d e l s i m 中编译所设计的项目： ( 4 ) 在m o d e l s i m 中进行仿真。 2 2 3o u a r t u s 、s y n p i i f y ( p r o ) 和n o d e i8 i m 协同设计 利用q u a r t u s 、s y n p l i f y ( p r o ) 和m o d e l s i m 协同设计可以使系统设计资 源利用效率更高，仿真效果更好。其主要流程如下： 1 、使用m o d e l s i m 进行功能仿真，即在m o d e l s i m 中导入源程序和t e s t b e n c h 进行仿真，并保存波形文件： 2 、使用s y n p l i f y ( p r o ) 对硬件描述语占编译并生成n e t l i s t 。 第二章f p g a 系统的开发 综合前应注意对器件的选择，其方法是在p r o j e c t i m p l e m e n t a t i o no p t i o n 中对欲下载的器件和网表的生成情况进行选择。综合后的网表有两种：r t l 级网 表和门级网表( g a t en e t l i s t ) ，通过对网表的分析可以对设计的实现方式有初 步了解，并分析其中的错误和不合理的地方，另外还可以对关键路径的d e l a y 和 s l a c k 进行分析。 使用s y n p l i f y ( p r o ) 需新建工程，并修改工作目录，然后添加所要编译的文 件，要注意t o p 文件要最后一个添加，这样才可以保证生成的文件是以t o p 文件命 名。 3 使用o u a r t u s i i 根据n e t l i s t 进行布线，并进行时序分析 使用q u a r t u si i 前需做一些必要的设置，在a s s i g n m e n t s e d at o o l s s e t t i n g 中的s i m u l a t i o n 中选择m o d e l s i m ，并选择选项r u nt h i st o o l s a u t o m a t i c a l l ya f t e rc o m p i l a t i o n 。也可以在o u a r t u s i i 编译布线后，进行同样 的设置，然后运行e d an e t l i s tw r i t e r 和e d as i m u l a t i o nt o o l 。 使用s y n p l i f yp r o 得到满意的n e t l i s t 后，可以在s y n p l i f y ( p r o ) 中通过 o p t i o n - - o u a r t u s i i 直接调用q u a r t u s i i 。q u a r t u s i i 对s y n p l i f y ( p r o ) 生成 的v q m 文件进行编译、布线。然后根据设计要求，进行时序分析和引脚调整。 4 使用m o d e l s i m 进行布线后仿真 由于q u a r t u s i i 提前进行了设置，因此在编译布线完成后，将在工作目录下 生成m o d e l s i m 仿真所需要的文件和库( m o d e l s i m _ w o r k ) ，在m o d e l s i m 中将产生