（机械电子工程专业论文）光栅相位补偿技术的研究.pdf

摘要 光栅测量技术是以对光栅形成的莫尔条纹计数为基础的高精度测量技术。对光栅 传感器的输出信号进行相位误差补偿是提高光栅测量精度的一种经济有效的方法。本 文基于光栅传感器信号的特点及信号细分技术设计了光栅相位误差补偿系统。 本文首先对国内外光栅测量技术的现状、误差补偿技术的发展趋势进行了系统地 概述。在理论研究部分介绍了光栅莫尔条纹的产生机理及特点，叙述了光栅传感器测 量信号的误差产生机理以及常用的校正的方法。结合本课题研究的技术要求，选择了 最佳的相位误差补偿方案，并对其进行了适当的改进，建立系统误差模型，通过工程 软件对误差校正系统进行初步建模。探索了相位补偿系统实现方法，根据课题的理论 基础选定了实现方法，提出了系统的设计方案，并将其应用于硬件电路系统及相关软 件系统的设计中。 所设计的以f p g a 为处理核心的光栅相位补偿系统，能够使两路非正交的信号经过 相位补偿实现正交，提高光栅的细分准确度，增强条纹测量技术的环境适应性和抗干 扰能力。本课题的研究成果可应用于工程与生产之中，提高光栅测量技术精度，具有 良好的实际应用价值。 关键词：光栅相位补偿f p g a a b s tr a c t g r a t i n gm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sah i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e d o nc o u n t i n gt h em o i r d f r i n g e sc r e a t e db yt h eg r a t i n gm o v i n g a n dt h es u b d i v i d i n go ft h e g r a t i n gs i g n a li so n eo ft h em o s te c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o n g r a d eo ft h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y t h ep a p e ri sa p p l y i n gi t s e l ft or e s e a r c hp h a s e c o m p e n s a t i n gs y s t e mf o rg r a t i n gs i g n a lo nt h eb a s i co fg r a t i n gs i g n a l sc h a r a c t e r i s t i ca n d s u b d i v i d i n gt e c h n o l o g y a tf i r s t ，o nt h eb a s i so fs y s t e m a t i c a la n a l y z i n go ft h ei n t e m a la n de x t e r n a la p p l i e d s t a t u so fg r a t i n gm e a s u r e m e mt e c h n o l o g y ，t h ep a p e ri sc e n t e r i n go nt h er e s e a r c hf x u i ta n d t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee l e c t r o n i cs i g n a ls u b d i v i d i n gt e c h n i q u e i nt h ep a r to f t h e o r y r e s e a r c h ，t h eg e n e r a t i o np r i n c i p l ea n ds i g n a l sc h a r a c t e r i s t i co fm o i r d f r i n g e si s b e i n g i n t r o d u c e d ，a n dt h e ne x p l a i nt h ec o n c e p to fs i g n a ls u b d i v i d i n ga n dt h ea p p l i c a t i o nm e a n i n g o ft h et h e o r y a f t e rt h et h e o r ye x p l a n a t i o n ，t h ep a p e ri l l u m i n a t e ss o m em a i n s t r e a ms i g n a l s u b d i v i d i n gm e t h o d sw h i c ha r eb e i n gu s e dw i d e l yi ne n g i n e e r i n g ，a n dc o m p a r e st h e mb y s o m et e c h n i c a la s p e c t si nd e t a i l c o m b i n i n gw i t ht h et e c h n i q u er e q u i r e m e n to fo u rp r o j e c t ， w ec h o s et h eb e s to l l eb ym a k i n gt h es c h e m ew i t hf u r t h e ri m p r o v e m e n t , a n dp l a n ti ti nt h e s y s t e md e s i g n i no r d e rt oc o m p e n s a t ep h a s eq u a d r a t u r ee r r o ro fg r a t i n gs i g n a l s ，t h eg r a t i n gs e n s o r p h a s ec o m p e n s a t i n gs y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c hi sb a s e do nf p g a t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ei n t e r p o l a t i o nf a t o ri s o b v i o u s l yr a i s e d a f t e r i n t r o d u c i n gt h ec o m p e n s a t i n gs y s t e m t h ef r u i to ft h er e s e a r c hc a nb eg r e a t l ya p p l i e di n t h ee n g i n e e r i n gp r o j e e ta n dp r o d u c t i o n , a n di tw i l ld r a m a t i c a l l yi m p r o v et h eg r a t m g m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n k e y w o r d s ：g r a t i n gs e n s o r p h a s ec o m p e n s a t i o nf p g a 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光栅相位补偿技术的研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 在玻璃( 或金属) 上进行刻划，可得到一系列的密集刻线，这种具有周期性刻线分 布的光学元件称为光栅。自本世纪五十年代初光栅技术引入长度计量领域以来，由于 光栅式传感器有许多优点，所以目前在线值测量、角分量测量、位移量同步比较测量 及机床数控等各个方面得到了广泛的应用，具有很高的实用价值。光栅式传感器具有 如下特点1 1 幻： ( 1 ) 精度高，光栅节距内可以进行细分。细分一般有机械细分、电子细分、光 学细分和软件细分等方法，实现精度高，可靠性好。由于光栅刻划技术和细分技术的 进展，莫尔条纹对光栅局部误差具有平均效应，以及光栅对位移信号的放大作用，光 栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面精度仅仅低于激光干涉传感器。在圆分 度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的； ( 2 ) 大量程测量兼有高分辨力。这对难以兼得这两种特性的测量装置来说，是 一个非常宝贵的特点，感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨 力和精度都不如光栅式传感器，如制造量程1 米左右的光栅尺和几米、几十米的钢带 光栅测长范围可达几十米，分辨率可达0 5um ，测角时采用多头多圈测量，分辨率可 达o 0 1 。 ( 3 ) 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化，具有较高的测量速 度。光栅的莫尔条纹信号，光强和反差较大，光电转换后其输出信号也较强。再者， 采用非接触式发信号装置，能够将被测量值快速而准确的传给其它系统，能够瞬间自 动地处理计量信息，并将原始模拟信号转变为数字信息，从而实现自动控制和自动测 量并实现数字化。 ( 4 ) 具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光传感器那样严格，但 不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。 光栅式传感器在几何测量领域中有着广泛的应用。与长度( 或直线位移) 和角 度( 或角位移) 测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、 速度、应力、应变等机械量测量中也有应用d 1 。文献 4 对光栅干涉测量转矩的应用 进行了介绍，文献 5 1 、 6 介绍了光栅式传感器在各领域的应用。文献 7 还对光 栅技术和激光技术在测量领域的应用进行了比较。 近年来随着超精加工技术的发展，光栅测量技术的发展极为迅速，成为高分辨率 测量的主要手段。为进一步提高光栅测量的分辨力和细分精度，人们提出了许多条纹 细分方法，如正切细分法、比例幅值法、双阈值法、构造函数法、脉宽调制法等。然 而，这些传统的条纹细分方法都要求两路条纹信号必须正交。当两路条纹信号不正交 时，则会产生细分误差，降低细分精度，限制细分倍数。但是，由于条纹测量中器件安装 调试水平和导轨精度的限制，实际的条纹信号不可能保证绝对正交，尤其是量程较大 时，两路信号总会出现非正交的情况，且有一定的随机性和波动性，长期使用环境条 件的变化也会导致叠栅条纹信号发生变化。单纯依靠制造、装配和调试来提高光栅测 量的精度不仅代价昂贵，而且难度也越来越大。要解决这些问题，必须采用误差补偿 的方法。 本课题对减小光栅传感器输出信号的相位误差补偿技术进行探讨，旨在研究一种 以f p g a 为处理核心的光栅相位补偿系统，此系统能够使两路非正交的信号经过相位补 偿实现正交，从而提高光栅的细分准确度，增强条纹测量技术的环境适应性和抗干扰 能力。 1 2 国内外研究现状 为提高条纹测量的分辨力和细分精度，人们提出了许多条纹细分方法蝴3 ，常见的 软件细分方法主要有以下四种： ( 1 ) 三角波细分法： 三角波细分法的原理是将( 正) 余弦信号通过a d 量化后进行( 1 s i l l 乡l - i c o s 口i ) 运算将其转换为近似三角波信号，再经过线性插值，得到相应的位相值，从而得到光 栅在一个信号周期内的位置。 ( 2 ) 正切量化细分法 正切量化细分法的原理是同时将两路( 正) 余弦信号进行a d 转换，转换得到的 数字化电压值送入微处理器或计算机进行除法运算，求出正切值，然后通过计算反正 切运算或查表法获得相应的位相值，从而得到光栅在一个信号周期内的位置。 ( 3 ) ( 正) 余弦结合细分法 在( 正) 余弦结合细分方法中，首先将一个信号周期以, n 4 为单位分为八段，每 一段中取( 正) 余弦信号中斜率较大的信号作为被插值信号，即以幅值小于a 2 倍 2 峰值的( 正) 余弦信号作为被插值信号。细分时，首先判断当前信号所处的区段，再 查表得到细分值。 ( 4 ) 正弦量化细分法 正弦量化细分法的基本原理是将正弦信号进行量化，然后将转换结果归一化，即 除以当前信号的峰值，最后由计算机或微处理器计算反正弦值或者通过查表法获得相 应的位相值，从而得到光栅在一个信号周期内的位置。余弦信号的转换值用于实时鉴 向。 这些细分方法虽然原理各不相同，但是却有一个共同的特点，即它们都基于两路 正交的理想( 正) 余弦信号。两路输入信号的质量( 直流分量、等幅性、正交性和正 弦性) 直接影响细分的倍数和精度。但是，由于条纹测量中器件安装调试水平和导轨 精度的限制，实际的条纹信号不可能保证绝对正交，尤其是量程较大时，两路信号总会 出现非正交的情况，且有一定的随机性和波动性，难于进行修正。单纯依靠制造、装配 和调试来提高光栅测量的精度不仅代价昂贵，而且难度也很大。另外长期使用环境条 件的变化也会导致叠栅条纹信号发生变化，从而产生细分误差。这些都对光栅测量的 精度和可靠性提出了严峻的挑战。要解决这些问题，必须采用误差补偿的方法。 对于误差补偿的方法，国内外很多学者都曾进行过研究。李江国等汹3 提出了一种 相位误差的软件补偿方法，能够可以将误差补偿到一个位移当量以内，但相位误差的 补偿范围较小，要求相位误差角训1 0 0 。 景芳盛等汹3 推导了正交误差方程并给出了求解方法和相应软件。 刘文文等啪3 提出了一种高精度的光栅信号细分算法，其实质是利用优化算法从 非理想的光栅信号中分离出较为理想的光栅信号进行细分，以此提高光栅系统的细 分精度。 楚兴春等口嘲1 提出了一种任意相位差条纹信号细分方法，根据两路条纹信号的 极性和幅值大小，把一个信号周期分成8 个区段。高速采集两路条纹信号，通过判断信 号采样点所处的区段是否跳变对信号幅值交点进行动态跟踪。对不足一个周期的条纹 移动，当测量出起点与终点的幅值，计算出其所在的区段及位置后，结合两路信号的交 点，可实现对任意相位差条纹信号的细分。 余文新等m 潘3 提出了叠栅条纹信号的参量连续性概念。由于叠栅条纹信号相当 于经过一个线性低通滤波器，其幅值、直流电平、频谱分布和相位关系在全量程上都 3 是连续和平滑变化的，并且其变化频率远小于叠栅条纹信号的空间频率，因此叠栅条 纹信号具有参量连续性。相邻的一个或几个周期的叠栅条纹信号具有几乎一致的幅 值、直流电平、相位差等特征参量。 朴伟英等汹3 提出了一种动态的误差补偿方法，可以消除由直流漂移、两路信号不 等幅和非正交导致的细分误差。其原理是跟踪光栅信号在一个周期上的8 个特征值点 ( 正余弦信号的过零点及绝对值交点) ，从特征值点的幅度值中首先分解出正弦信号 的直流漂移误差，对其进行补偿：然后继续跟踪补偿后的信号，从中又能分解出余弦信 号的直流漂移误差。再补偿，再跟踪，又能依次分解出不等幅误差和非正交误差。最多 只需要3 个光栅信号周期，就能对三种误差依次实现补偿。 1 3 本文的研究内容 ( 1 ) 分析光栅相位误差产生的原因以及常用的校正方法； ( 2 ) 建立系统误差模型，通过工程软件对误差校正系统进行初步建模； ( 3 ) 探索相位补偿系统实现途径，选定实现方法； ( 4 ) 在选定的实现途径下确定实现方案，设计以f p g a 为处理核心的光栅相位补 偿系统。 4 第二章光栅传感器测量原理及误差分析 2 1 光栅传感器测量原理 光栅传感器测量技术是根据莫尔条纹原理制成的，把光栅常数相等的主光栅和指 示光栅相对叠合在一起( 片间留有很小的间隙) ，并使两栅线之间保持很小的夹角 0 ，在刻线的重合处，光从缝隙透过形成亮带，如图2 1 中的a a 线所示；在两光栅刻 线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图2 1 中的b - b 线所示。明带、暗带正 好形成莫尔条纹，相邻两莫尔条纹的间距为厶其表达式为： z = w s i n 矽w 0( 1 ) ( 1 ) 式中，w 为莫尔条纹信号空间周期常数( 光栅栅距) ；秒为两光栅刻线夹角。 通过调整夹角汐，可以使条纹宽度为任何所需要的值口 。 口正弦位置 图2 1 莫尔条纹原理图 光栅传感器主要由主光栅、指示光栅和光路系统组成，光栅传感器测量系统框图 如图2 2 所示嘲。 5 光电元件 图2 2 光栅传感器测量系统结构图 当两光栅在与栅线垂直的方向相对移动一个栅距时，莫尔条纹则在栅线方向移动 一个莫尔条纹间距l ，光电元件输出的信号变化一个电周期2 兀。因此，当指示光栅相 对与主光栅有位移时，就会产生光强度呈周期性变化的莫尔条纹信号，该信号经光电 转换( 例如4 相硅光电池) 后，输出4 路相位相差9 0 。的正弦波光栅信号( 电信号) ， 将这4 路光栅信号进行差动处理，消除直流电平和偶次谐波之后，得到较理想的正弦 信号和余弦信号为 u ( r ) = b i l l 耐 ( 2 ) o ) = 。, o s c a t ( 3 ) ( 2 ) 、( 3 ) 式中，为光栅基波幅值；仞= 2 ；1 ，为光栅直线位移速度。 将周期信号u ( ，) 、p ) 送到转换电路中处理，产生计数脉冲，由计数器对脉冲计数， 产生光栅移动的栅距数n 。光栅实际移动的距离x 为 x = n 口w + w ，w 系统输出 系统后端输出同样为模拟信号，由于采用数字信号处理器，故需要一个数字一模 拟转换器( d a c ) 实现数字信号到模拟信号的转换。d a c 输出控制由f p g a 实现。 存储器 考虑系统吞吐率的需求，采用s r a m 作为系统缓存，可以缓存a d c 采样的输出。采 用乒乓存储的方式，可以进一步提高系统的吞吐能力o - s r a m 的控制由f p g a 来实现。采 用s r a m 而不是用f p g a 内部的存储器，是因为这样可以进一步降低系统的实现成本，此 外系统还要采用查表法实现。根据需要可以选择不同容量和位宽的s r a m 。 测试 考虑本系统为嵌入式，对调试和测试提出了难题，为此，系统设计时考虑留出足 够的测试点( t e s tp o i n t ) ，为日后调试f p g a 提供方便。这个模块是否需要可以根据 日后系统设计考虑。 控制 此处为用户提供控制功能，控制f p g a 的工作模式，提高系统的灵活性。 时钟 整个系统采用同源时钟，为f p g a 、s r a m 、a d c 、d a c 提供时钟。 核心处理、控制单元( f p g a ) 系统的核心处理、控制由一片超大规模的f p g a 实现。核心控制也是整个系统实现 的大脑，是对算法的正确反映。 4 4f p g a 技术 4 4 1f p g a 技术概述 在数字化、信息化的时代，数字集成电路应用得非常广泛。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 ( 、l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了产品的生产成本， 提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。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， 研制自己的a s i 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 2 l 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( e e p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数字逻辑功能 的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，今天已经发展成为可以完成超大规模 的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f p g a c p l d 不断推陈出新。新一代的f p g 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f p g 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 ，s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它 是在可编程阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g ic ) 、门阵列逻辑g a l ( g a t ea r r a y l o g i c ) 、可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 等可编程器件的基础 上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 能完成任何数字器件的功能，上 至高性能c p u ，下至简单的7 4 系列电路，都可以用f p g a 来实现。 未来f p g a 发展方向主要有以下几个方面：基于f p g a 的d s p 技术，为高速数字信 号处理算法提供了实现途径；嵌入式处理器软核的成熟，使得s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 步入大规模应用阶段，在一片f p g a 中实现一个完备的数字处理 系统成为可能；更大规模的f p g a 器件不断推出；软硬i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核在电子行业的产业领域广泛应用h 3 。 f p g a 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。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 a s i c 相比，它又具有设计开发周期短、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 。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的f i e x 系列、 c y c l o n e 系列等。f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作 时需要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时- f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中配置完成后，f p g a 进入工作状 态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无须专用i 拘i f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改 f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产 生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。f p g a 有多种配置模式：并行主模式 为一片f p c a 自n - - 片e p r o m 的方式：主从模式可以支持一片p r o m 编程多片f p g a ；串行模 式可以采用串行p r o m 编程f p g a ：外设模式可以将f p g a 作为微处理嚣的外设，由微处理 器对其编程。 44 2f p g a 的基本原理 简化的f p o a 的结构由4 部分组成：输入输出模块、二维逻辑阵列模块、连线 资源和内嵌存储嚣结构，如图4 - 3 所示。输入输出模块是芯片与外界的接口，完成 不同电气特性下的输入输出功能要求：二维逻辑阵列模块是可编程逻辑的主体可 咀根据设计灵活的改变连接与配置，完成不同的逻辑功能；连线资源连接所有的二 维逻辑阵列模块和输入输出模块，连线长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力 和传输速度；内嵌存储器结构可以在芯片内部存储数据。 d oc n i r 翔n 咄 红色：连线瓷源 图4 3 可编程逻辑器件的结构原理图 4 4 3f p g a 的特点 f p g a 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通 a s i c 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 理想首选。当代f p g a 有以下特点： 规模越来越大。随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，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 的规模也越来越大。单 片逻辑门数已愈百万。 令开发过程投资小。f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且f p g a 设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。 夺f p g a 一般可以反复的编程、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 试制功能样机，能以最快的速 度占领市场。 保密性能好。在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的f p g a ，能很好 的保护系统的安全性和设计者的知识产权。 令f p g a 开发工具智能化，功能强大。现在，f p g a c p l d 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。 新型f p g 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。 4 5f p q a 设计 4 5 1a l t e r a 公司c y c l o n e 系列“町 a l t e r a 公司的一款低成本、高性价比的f p g a ，c y c l o n e 器件主要由逻辑阵列块 ( l a b ) 、嵌入式存储器块、i 0 单元和p l l 等模块构成，在各个模块之间存在着丰 富的互连线和时钟网络。 c y c l o n e 器件的可编程资源主要来逻辑阵列块( l a b ) ，而每个l a b 都是由多个l e 来构成。l e ( l o g i ce l e m e n t ) ，即逻辑单元是c y c l o n ef p g a 器件的最基本的可编程单 元。如图4 4 所示显示 c y c l o n ef p g a 的l e 内部结构。观察图可以发现，l e 主要由一 个4 输入的查找表l u t 、进位链逻辑和一个可编程的寄存器构成。4 输入的l u t 可以完成 2 4 所有的4 输入，l 输出的组合逻辑功能，进位链逻辑带有进位选择，可以灵活地构成l 位加法或者减法逻辑，并可以切换。每一个l e 地输出都可以连接到局部布线、行列、 l u t 链、寄存器链等布线资源。每个l e 中地可编程寄存器可以被配置成d 触发器、t 触 发器、j k 触发器和s r 寄存器模式。每个可编程寄存器具有数据、异步数据装载、时钟、 时钟使能、清零和异步置位复位输入信号。l e 中地时钟、时钟使能选择逻辑可以灵 活配置寄存器地时钟以及时钟使能信号。l e 有3 个输出驱动内部互连，一个驱动局部 互连，另外两个驱动行或列的互连资源，l u t 和寄存器的输出可以单独控制。可以实 现在一个l e 中，l u t 驱动一个输出，而寄存器驱动另一个输出。因而在一个l e 中的触 发器和l u t f l 邑够用来完成不相关的功能，因而能够提高l e 的资源利用率。 图4 4f p g a 内部结构 除上述的3 个输出外，在一个逻辑阵列块中的l e ，还可以通过l u t 链和寄存器链进 行互连。在同一个l a b 中的l e 通过l u t 链联在一起，可以实现宽输入的逻辑功能，在同 一个l a b 中的l e 里的寄存器可以通过寄存器链级联在一起，构成一个以为寄存器，那 些l e 中l u t 资源可以单独实现组合逻辑功能。 在c y c l o n ef p g a 器件中所含的嵌入式存储器( e m b e d d e dm e m o r y ) ，由数十个m 4 k 的存储器块构成。每个m k 4 存储器块具有很强的伸缩性，可以实现的功能有：l 、4 6 0 8 位r a m ；2 、2 0 0 m h z 高速性能；3 、真正的双端口存储器；4 、单个双端口存储器；5 、 单端口存储器；6 、字节使能；7 、校验位：8 、移位寄存器；9 、f i f o ；1 0 、r o m 设计； 1 1 、混和时钟模式。 在c y c l o n e 中的嵌入式存储器可以通过多种连线与可编程资源实现连接，这大大 增强了f p g a 的性能，扩大了f p g a 的应用范围。在数字逻辑电路设计中，时钟c l o c k 、 复位信号往往需要作用于系统中的每个时序逻辑单元，因此在c y c l o n e 器件中设置有 全局控制信号。由于系统的时钟延时会大大影响系统的性能，在c y c l o n e 中设置了复 杂的全局时钟网络，以减少时钟信号的传输延迟。另外，在c y c l o n ef p g a 中还含有1 个n 2 个p l l ，可以用来调整时钟信号的波形、频率和相位。 c y c l o n e 的i 0 支持多种i 0 接口，符合多种i 0 标准，可以支持差分的i o 标准， 诸如l v d s ( 低压差分串行) 和r s d s ( 去抖动差分信号) ，当然也支持普通单端的i o 标 准，如l v t t l 、l v c m o s 、s s t l 、p c i 等，通过这些常用的端口与板上的其他芯片沟通。 图4 5 所示为c y c l o n e 器件内部的l v d s 接口电路。 燧蛆脯 图4 5f p g a 内部l v d s 连接 c y c l o n e 的电源支持采用内核电压和i o 电压分开供电的方式，i o 电压取决于使 用时需要的i o 标准，而内核电压使用1 5 v 供电。 由于l u t 主要适合s r a m i 艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m i 艺的，而 s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，如图4 6 所示在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以正 常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。上电时，配置数据从p r o m 中写 至u f p g a 中的静态存储单元，a l t e r a 的s r a m l u t 结构的器件中，f p g a 可使用6 种配置模式， 这些模式通过f p g a 上的两个模式选择引脚m s e l i 和m s e l 2 上设定的电平来决定。1 、配 置器件模式，如用e p c 器件进行配置；2 、p s ( p a s s i v es e r i a l 被动串行) 模式：3 、 p p s ( p a s s i v ep a r a l l e ls y n c h r o n o u s 被动并行同步) 模式：4 、p p a ( p a s s i v ep a r a l l e l a s y n c h r o n o u s 被动并行异步) 模式：5 、p s a ( p a s s i v es e r i a la s y n c h r o n o u s 被动串行 异步) 模式；6 、边界扫描( j t a g ) 模式；7 、a s ( a c t i v es e r i a l ) ，这个模式针对 e p c s 系列配置器件而言。 图4 6f p g a 配置电路 4 5 2f p g a 设计要求嗍 一个优秀的f p g a 设计不仅要达到系统的基本要求，同时必须满足可读性、可重复 性和可测性。可读性好的f p g a 设计原理图和硬件描述语言设计应该包含足够详细的注 释。每张原理图之间的关系及硬件描述模块间的互联关系的说明固然重要，但是每个 模块本身的说明也是不能忽视的，例如状态机的文档应当包括状态图或功能描述。好 的文档也许花不了很多的时间，但是却可以在调试、测试和维护设计上节省大量的时 间。可重复性指f p g a 设计应该保证如果不同的人从不同的部位开始，并重新进行布 局布线等，应该得到同样的结果。没有这个保证，验证以及其他形式的设计测试就毫 无意义。设计者显然不希望在设计里出现这样的情况，具有相同的输入输出管脚和功 能的器件，由于布局布线的差异，导致最后时序不一致。如果在实现的过程中，系统 设计软件的参数或选项不一致，就会发生这种情况。因此f p g a 的文档就应该包括必 要的信息，即软件开发系统的版本号、软件的各个选项及参数设计。可测性是f p g a 设计的最后一个特征。系统级的测试要求设计者对整个设计流程及系统架构都要很清 楚。随着设计层次的提高，使得设计者面对的电路规模越来越大，功能越来越复杂， 相应电路的测试也变得越来越困难。在设计过程中综合考虑测试的设计问题并统一实 施，将有效地缩短整个产品的开发时间、减少返工。 4 5 3f p g a 设计流程 一个完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、 实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤。其中电路设计与输入是根据工程师的设计 方法将所设计的功能描述给e b b 软件。常用的设计输入方法有硬件描述语言( 、h d l ) 和原理图设计输入方法。原理图设计输入法在早期应用得比较广泛，它根据设计要求， 选用器件、绘制原理图、完成输入过程。这种方法的优点是直观、便于理解、元件库 资源丰富。但是在大型设计中，鬈这种方法的可维护性较差，不利于模块建设与重用。 更主要的缺点是：当所选用芯片升级换代后，所有的原理图都要作相应的改动。因此 目前最常用的设计方法是v h d l 设计输法，特点是利于由顶向下设计，利于模块的划 分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结构的变化而变化，更利 于向a s i c 的移植。波形输入和状态机输入方法是两种常用的辅助设计输入方法。使 用波形输入法时，只要绘制出激励波形和输入波形，e d a 软件就能自动地根据响应关 系进行设计。而使用状态机输入法时，设计者只需画出状态转移图，e d a 软件就能生 成相应的h d l 代或者原理图，使用十分方便。f p g a 设计流程图如图4 6 所示。 ? 医疆匿嘲翌圈 豳塑濯趟 ，j 。 j 匿羹 丫、8 6 “”，7 霹麴l1f 。 y 圈46f p g a 设计流程吲 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否 符合设计要求。功能仿真有时也被称为前仿真。常用的仿真工具有m o d e l s i m 。通过仿 真能及时发现设计中的错误，加快设计进度，提高设计的可靠性。综合优化是指将 v h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门、r a m 、寄存等基本逻辑单元组 成的逻辑连接并根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，输出s o f 和p o f 等文件，供 f p g a 厂家的布局布线器进行实现。另# f p g a 厂商集成开发环境也带有一些综合工具。 综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，需要做综合后仿真。在仿真时，把 综合生成的延时文件反标到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。综合后仿 真虽然比功能仿真精确一些，但是只能估计门延时，而不能估计线延时，仿真结果与 布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。设计开发的最后步骤就是在线调 试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试。 4 5 4f p g a 程序的特点 f p g a 程序的开发语言是v h d l 和v e f i l o g 等硬件描述语言，它的程序具有如 下特点： 并发性 f p g a 程序的一个突出特点就是程序的并发性，这也是f p g a 能够应用于实时 信号处理领域的一个重要原因。可以简单的将f p g a 程序有许多并行的进程组成， 每个进程完成一部分逻辑功能，所有进程均在一个或者若干个系统时钟驱动下执 行，进程的驱动信号就是时钟，所以所有的进行的执行都具有并发性，即同一时刻 所有进程可以同时运行。 不确定性 硬件描述语言经过f p g a 编译工具生成f p g a 的可执行文件，这一执行文件与 c 语言等编译生成的汇编指令不同，它是一个庞大的真值表，映射到f p g a 内部决 定着整个f p g a 的逻辑功能。由于f p g a 内部资源庞大，真值表的映射具有位置的 不确定性，加之f p g a 是在高速时钟驱动下工作，时钟等同步逻辑对程序的执行都 有影响( 一个逻辑的执行可能会由多个真值表的逻辑值决定，这些真值表可能分散 在f p g a 的各个角落，对于同一时钟的响应有不同的延迟) ，导致了f p g a 程序的 执行具有一定的不确定性，即程序执行可能会出现混乱状态。 p 核复用性 大规模f p g a 程序的设计已经到了一个口核大量复用的时期，利用众多成熟 稳定的i p 核设计减小程序设计的难度，缩短开发时间。p 核的复用推动了f p g a 在实时信号处理领域的应用。 f p g a 程序的上述特点，决定了它与一般软件设计的不同，需要在设计时采取 一些特殊的原则，利用一些设计的技巧，下面加以阐述。 3 0 4 5 5f p g a 程序设计的指导原则 f p g a 程序的设计有以下几个知道原则： ( 1 ) 面积和速度的平衡与互换原则 在f p g a 中，“面积( a r e a ) 指一个设计消耗的逻辑资源的数量，“速度( s p e e d ) ” 指设计在芯片上稳定运行所能达到的最高频率。面积和速度两个指标贯穿f p g a 设 计的始终，是评价设计的重要标准。 在f p g a 中，面积和速度是对立统一的关系，即要求一个设计面积最小的同时， 运行速度最高是不现实的。科学的设计目标是在满足运行速度的前提下，占用最小 的面积，或者在规定的面积下，使设计的余量更大，速度更高。这两个目标体现了 面积和速度的平衡与互换的思想。 在星载s a r 实时处理系统中，面积和速度的地位是不一样的。相比之下，满 足速度的要求更加重要，当两者冲突时，采用速度优先的原则。 ( 2 ) 系统原则 系统原则是指在f p g a 程序设计时，将f p g a 内部的程序看作一个系统来设计， 对整个设计的全局要有宏观上的合理安排，比如时钟域的划分、模块复用、面积和 速度的约束等问题。 ( 3 ) 模块化原则 模块化原则是一种设计思路和设计方法，自顶向下将整个设计按照功能、位置、 速度等不同要求划分成若干个松耦合的模块，每个模块具有完全独立的功能，不同 模块分工协作完成整个设计。采用模块化原则还可以提高程序的复用性，对于加快 程序的开发很有好处。 ( 4 ) 同步设计原则 采用同步时序设计是大规模f p g a 设计的一个重要原则，它可以很好的避免数 字电路中的毛刺、抖动等问题，提高系统高速运行的稳定性。 4 5 6f p g a 程序设计技巧 f p g a 程序设计的技巧很多，这里值介绍三个与星载s a r 实时处理相关的技 巧。 ( 1 ) 乒乓操作 乒乓操作是数据流控制的一个常用的技巧。在f p g a 内部开辟两块相同的缓冲 区域( 双口r a m 、f i f o 等) ，缓冲区的输入输出端口通过单刀双至开关控制数据 输入的缓冲区和缓冲区数据的输出。乒乓缓冲区按照节拍相互配合，乒缓冲的同时， 乓开始输出，如此乒乓切换。在缓冲区的两端来看，整个数据流是连续的，设有停 顿的过程，数据积累与数据传输并行进行。乒乓操作的缺点是增加了f p g a 内部的 资源开销。 ( 2 ) 流水线操作 流水线操作是现代高速处理器设计的一个常用的手段。通过抽象设计，将一个 数据处理流程划分成若干个步骤，每个步骤单向串连处理，处理器能够同时并行处 理不同数据流程的不同步骤。这样在从整个处理时间上来看，在每个时间片内若干 个处理步骤是并行执行的。 4 5 7o u a r t u si l8 0 设计工具 o u a r t u si i 是a l t e r a 提供