（通信与信息系统专业论文）基于fpga的roadm电压控制模块研究.pdf

中文摘要 l i l | | | | | i l i | i f l i l f l i i l l f f l | | i f i i f | | l l | | | m i y 19 2 5 3 2 3 现行的d w d m 系统向全光网络演进过程中，具有动态配置能力的r o a d m 是不可或缺的关键性节点器件。如何提高其调谐速度以适应高速的光网络数据传 输是当前研究的难点和热点。新型电光调谐型i 的a d m 通过超高速调节其偏振 转换单元与波长调谐单元的电极电压来实现特定波长的上下载，调谐速度达到了 纳秒量级。 本论文采用f p g a 芯片作为核心器件，为新型电光调谐型r o a d m 设计了 专用高速电压控制模块。模块设计分为低压多路输出和高压输出两部分。论文中 对模块各部分的方案设计、元器件选型及论证、电路设计、控制程序编写等进行 了详细介绍，并对模块各部分进行了仿真与测试，验证了r o a d m 电压控制模 块设计的正确性和可行性。 对于低压多路输出模块本论文以f p g a 作为控制处理器，通过u a l 玎接口 接受上位机控制信号，动态输出预存储在芯片内部定制r a m 中的数据，并由2 5 路双通道超高速数模转换器转换获得5 0 路输出范围士5 v 、步进精度为0 0 4 v 的 稳压信号，响应速度保持在纳秒量级。对于高压输出电路部分采用带有反馈电路 的反激式脉冲升压电路获得连续可调输出范围o 3 0 0 v 的高压稳压信号，响应速 度保持在毫秒量级。实验证明上述两种电压模块能够满足新型r o a d m 高速调 谐对于电压的要求。 关键词：r o a d mf p g a 低压多路输出高压输出电压控制 a bs t r a c t t h er e c o n f i g u r a l ，l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( r o a d m ) ，w h i c hc 锄b e c o n f i g u r 酣d y n 锄i c a l l y i s 锄i n d i s p e n 阻b l e d e v i c ef o rt h e “o l u t i o no fo p t i c a l n e t w o r k sf m mc u r 托n td e n s ew a v e l e n 甜hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e mt 0a l l 。o p t i c a l n 咖o r k w h a ti st l l eb e s tw a yt 0 皿p r o v et h et u n i n gs p e e do fr o a d m mo r d e rt 0 a d a 讲t ot h eh i g hs p e e d 缸锄s m i s s i o no f ( i a t ao v e ro p t i c a ln e t 、) ，o r ki sa 佗s e a r c hh o t s p o t an e wk i n do fe l e c 仃0 o p t i c a lt u n a b l er o a d mw 骶d e v e l o p e 也i tc 锄u p l o a d 明d d o w n l o a ds p e c i f i cc a r r i e rw a v eb yr e g u l a t i n gt h ev o l t a g e s o fi t s p o l a r i z a t i o n c o n v e r s i o nu n i t锄dw a v e l e n g t ht i l n i n g 蚰i t i t st l l n i n gt i m ei sr c 妤c t c d i n n 锄o s e c o n d sm n g e t 1 1 i s 廿l e s i sp r c s e n t sav o l t a g ec o n t r o lm o d u l e ，w h i c hi sb 觞e du p o nf p g a ni s d e s i g n e df i ”廿1 en e wt y p er o a d ms p e c i a l l y i i ln l i st h e s i s ，v o n a g ec o n t r o lm o d u l e d e s i 鲷i s 鲫b d i v i d e di n t 0l o w _ v o l 蝣em u l t i - o u t p u tp a n 鲫dh i g l l 一v o l t 乏吗eo u t p u tp a n b o t ho ft 、) i r op a r t sh a v eb c 明d e s c 衲e di nc i e t a i l a n dm u c hw o 出h 够b nc o m p l e t e d ， 鲫c h 嬲d e s i g n so fe hp a n l e c t i o n 锄dv e r i f i c a t j o no f e a c hp a n c i r c u i td e s i g i l ， p r o g r a md e v e l o p m e 眠e t c e v e 拶p a no f t 1 1 ev o h a g ec o n 仃d lm o d u l eh a v eb e e nt e s t e d a n ds i m u l a t e dt 0v e r i 匆t h ev a “d i t ) ，锄d 危a s i b i i i 妙 i nt h i sm o d u i e ，f p ( “c h i pi su s e da sc o n n 0 lp r o c e s s o r ，a n e ri c c i v i n gt h e c o n 们ls i 鲈a l 舶mp cn 帅u 曲u a r ti n t c r f k e ，i to u t p u t sd a l aw h i c hi sp 陀- s t 0 代di n 廿i ec u s t o m i dr a m0 nt h ec h i pd ”锄i c a l l y 1 1 1 ed a t ai sc o n v e n c dt 05 0d i m 陀n t v o l t a g e s 砒t h es 硼et i m eb y2 5d u a l - c h 柚n e lu l t m - h i g h s p e e dd i g i t a l t 0 - a n a l o g c o n v e n e 体t h ev o l 魄e sm g e 舶m - 5 vt 0 + 5 v 黜i nt h e c u m c yo f o 0 4 vt h e t u n i n gt i m ei s 陀s t r i c t c di i ln a n o s e c 0 n d s 删1 9 e a tt l l e s a m et i m eaf l y b a c kp u i s e 吼e p u pc i r c u i tw i t hf e e d b a c kc i r c u i th 豁b e 锄u s e dt oo u t p u tah i g hv o l 协g e t l l e v o n a g em g e s 舾m0 vt 0 3 0 0 vc o n t i n u o u s l y n et u n i n gt i n l ei s 他刚c t e d i l l m i l l i s e c o n dr 觚g e b k p e r i m e n t ss h o wt l l a t ，t h e 代i q u i 豫m e n t so fh i g h s p e e dt u n i n go f t h ev o l t a g e s c 锄b es a t i s f i e db y 也ev o l t a g ec o n t r o lm o d u l e k e yw o r d s ：r o a d m ，f p g a ，l o w - v o k a g em u n i o u t p u t h i g h - v o i t a g eo u t p 此 v o l t a g ec o n 仃0 1 第一市绪论 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 密集波分复用系统( d w d m ) 是当前最常见的光层组网技术，但早期的波分复 用系统并没有实现真正意义上的光层组网。构建真正的光层网络，需实现光网络 的动态重构，即通过远程配置网络节点，实现动态调节上下载业务波长，并对业 务波长进行管理【。因此具有动态配置能力的r o a d m ( r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 便成为了光网络由现行的d w d m 系统向全光网络演进过 程中不可或缺的关键性节点器件。r o a d m 实现了对网络波长资源的灵活分配， 大大简化了网络规划，提高了带宽资源的有效利用率，是构成光网络“智能”实 现的重要基础1 2 3 j 。 当前主流r o a d m 设备主要分为3 种结构类型，波长阻断器型( w b ) 、平面光 波电路型( p l c ) 和波长选择开关型( w s s ) 【4 j 。普遍存在远程动态配置能力差、转 换速度慢、集成化程度低、性价比不高等问题。相应的如何提高调谐速度，增强 系统集成度以及提高系统性价比成为了当前研究的重要方向。为了提高r o a d m 的调谐速度，并使其具有同时卜载双波长及动态调节通带宽度的功能，增强其在 以密集波分复用为基础的光网络中的节点中的适用性，本课题组提出了一种可同 时提取双波长的带宽可调的新型电光调谐型r o a d m ( 4 | 。器件结构图如图( 1 1 ) 所示。 j 0 8 图1 i电光调谐型r o a d m 结构简图 其中1 0 1 为x 切y 传的铌酸锂晶片，1 0 2 为滤波器输入端l ，1 0 3 、1 0 4 、 1 0 5 、1 0 9 为钛扩散铌酸锂波导，其中1 0 3 为三端口偏振分束器，1 0 4 为上臂波导， 1 0 5 为下臂波导，1 0 6 、1 0 7 、1 0 8 为相移电极，1 0 9 为四端口偏振分束器，1 l o 为 带阻端口，1 1l 为带通端口。 第一章绪论 图( 1 2 ) 为新型r o a d m 的偏振转换单元电极示意图。其中2 0 l _ 2 1 6 为 1 6 组叉指电极，2 1 7 为接地电极，2 1 8 为上臂波导，2 1 9 为下臂博导。 2 1 8 2 1 9 2 1 7 图l - 2 偏振转换单元结构图 器件工作过程为：包含多个信道的光信号从端口1 0 2 输入，经偏振分束器 1 0 3 后，信号为两个彼此正交的偏振，t e 模进入上臂波导1 0 4 ，t m 模进入下臂 波导1 0 5 。在上臂波导中，t e 模在电场作用下发生波长( 频率) 相关的偏振模 式转换，转化为t m 模。其各波长( 频率) 所对应的转换效率由相移电极1 0 6 1 0 8 以及偏振转换电极2 0 1 2 1 7 的电压确定，通过合理设计各电压，可得到所需的偏 振转换效率谱。下臂波导中的偏振转换效率谱与上臂波导中的完全相同，对应的 为t m 模转化为t e 模。两臂信号在偏振分束器1 0 9 处耦合后，t e 模的光波由 带阻端口1 1 0 输出，t m 模的光波由带通端口l l l 输出。若将四端口偏振分束波 导视为理想，则带阻端口1 1 0 的输出谱为前述的偏振转换效率谱的反转谱，而带 通端口1 1 l 的输出谱即为偏振转换效率谱。于是，通过调节各电极电压，即可在 带通端口1 1 1 得到所需的滤波频谱1 6 】。 本论文的主要工作为设计一个电压控制模块，为新型电光调谐型r o a d m 提供偏振转换单元u ) 电极电压与波长调谐单元( w t u ) 电极电压v t 。作为 核心控制部分，本电压控制模块的性能及响应速度直接决定着新型r o a d m 的 调谐能力及调谐速度，因此对新型电光调谐型r o a d m 的设计十分重要。 1 2 低压可调直流稳压电源研究现状 当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，任何电子设备都有一个共 同的电路一电源电路。电源性能的好坏直接影响着电子设备的使用寿命、使用 性能等。本课题要求提供一个5 0 路的低压可调电源作为偏振转换单元的电极电 压，下面就简单介绍一种常见的基于单片机的低压可调直流电压获得方式【7 1 。 基于单片机的可调直流稳压电源原理示意图如图( 1 5 ) 所示。 通过将输出电压量化、编码为二进制数据存储起来，由上位机或者键盘向单 第一章绪论 片机输入控制信号，单片机按照控制信号将待转换的数据输入到d a c 电路中， 获得与数字信号相对应的电流信号，再通过运放电路将电流信号转换为稳定的电 压输出，以此来获得步进式稳压。通过选择性能优越的数模转换器及运放，可以 获得速度、精度均非常高的电压。同时由于单片机的引入，实现了输出电压的数 字控制，便于集成化和模块化。 图l - 3 基于单片机的可调直流稳压电源原理示意图 输出电压 在本课题中，偏振转换单元电极电压要求输出路5 0 路5 v 到+ 5 v 之间的电 压，响应速度需在纳秒量级，步进长度不大于o 1 v 。可见，输出路数较多，速 度、精度要求较高，因此选用性价比较高的c y c l o n ei i 型f p g a 芯片作为控制核 心来设计电路，能够获得较好的效果，满足设计要求。 1 3 高压可调直流稳压电源研究现状 目前常用的高压可调直流稳压电源主要分为线性电源和开关电源两种。线性 电源稳定性好，输出电压纹波较小。但因调整管工作在放大状态，发热量大，需 要体积庞大的散热器，且效率较低，又因工作在工频，所需变压器体积较大，并 不适用于小型模块电源。开关电源是通过控制开关的通断时间比率来获得稳定电 压，由于调整管工作在饱和与截止状态，发热量小，效率较高，又因工作频率较 高，减小了变压器体积。其缺点为输出直流上叠加纹波，需输出端并接稳压二极 管以及滤波电容进行整流滤波。综上所述，开源电压因具有体积小、效率高、噪 声小、智能化程度高等优点，代表着稳压电源的发展方向，已经成为稳压电源的 主流产品1 8 】。本课题中要求整个电压控制集成在一个模块中，因此要求高压输出 部分必须体积小，集成度高，开关电源便成为了最佳的选择。下面简单介绍一下 开关电源的原理、分类及发展方向。 1 3 1 开关稳压电源原理及分类 开关电源的工作原理为：通过占空比调制器获得不同占空比的振荡信号来控 制开关管，带动脉冲变压器开始工作。由于有直流电压加在了脉冲变压器的初级 上，变压器次级感应出高频高压，经过整流滤波后可供给负载；输出部分通过一 第一章绪论 定的反馈电路来控制占空比，以达到稳定输出的目的。 开关电源按控制原理来分类，开关电源可分为三种工作方式【9 1 。 l 、脉冲宽度调制式( p w m ) 开关电源。其核心器件为脉宽调制器。通过改变 固定开关频率的脉冲宽度来调节占空比，实现稳压输出的目的。其优点为开关频 率固定，简化了滤波电路的设计。缺点为受功率开关最小导通时间的限制，不能 对输出电压进行宽范围调节。目前大多数的集成开关电源均采用p w m 方式。 2 、脉冲频率调制式( p f m ) 开关电源。其核心器件为脉频调制器。通过改变 脉冲宽度固定的开关频率来实现占空比调节，实现稳压输出的目的。因此脉频调 制式开关电源可获得调制范围较广的输出电压。 3 、混合调制式开关电源。这种开关电源的开关频率和脉冲宽度都不固定， 两者都可以进行调节，来调整输出电压，因此开关振荡的占空比调节范围最广， 输出电压的调节范围也最大。 1 3 2 高压可调直流稳压电源的发展方向 随着科学技术的不断发展，现代电源技术也将在实际需求的推动下不断发 展。电源设计的模块化，小型化对开关电源这一在高压可调直流稳压电源中的处 于核心地位的技术提出了新的更高的要求。开关电源的具体发展趋势可以总结为 以下几个方面： l 、高频化。理论和实践表明提高开关频率有利于开关电源的体积减小，重 量的减轻以及动态响应能力的提高。随着电子器件的工作频率上限逐步提高，电 源的开关频率也在逐渐提高，相应的模块化，集成度均获得提高l 1 0 1 。 2 、模块化。随着技术的发展，开关电源的驱动保护电路，功率模块、整流 输出电路等集成在同一模块中，实现了热、电、机械等各方面的优化。模块化的 目的不只是为了缩小电源体积，更重要的是为了取消传统的连线，将电路中的寄 生参数降到最低，提高系统的可靠性。 3 、数字化。在传统的电源技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。 但随着数字信号处理技术的日趋完善，数字化的优越性越来越明显。电源数字化 有利于实现电源的远程控制，避免了模拟信号的畸变失真，提高了系统抗干扰能 力】。 本课题中选用凌特力尔公司的l t 3 7 5 7 作为核心器件，输出占空比可调的开 关频率控制开关管进行升压变换以获得高压信号，通过整流滤波处理后，得到直 流稳压。电路还提供了输出反馈回路来调节开关频率的占空比，来保证输出的稳 定。该设计具有输出可调范围广，响应时间短，电路简单，集成度高等优点，在 后面的章节中将详细介绍。 第一章绪论 1 4 本论文的主要工作及安排 本论文是国家自然科学基金项目“基于电光效应的双向调谐r o a d m 研究 的一部分，主要负责电压控制模块的设计工作( 即提供图( 1 3 ) 中p c u 和w t u 的控制电压v i 、v t ) 。 本论文共分为六章： 第一章简要介绍了r o a d m 在光通信网络中的重要作用及新型电光调谐型 i 的a d m 的工作特点，从而明确本论文的主要研究工作及重要意义。通过分析现 有电源设计的主要类型及其优缺点，提出了电源模块的设计方法。 第二章首先介绍了核心器件f p g a 的结构特点及开发流程，并对开发工程中 常见的问题及实验中遇到地问题进行了分析，提出了相应的解决方案。其次介绍 了相应的e d a 开发工具q u a r t u s i i 的设计流程及设计特点，为电源模块控制程序 的开发提供了指导。 第三章介绍了电源控制模块的整体设计方案，将模块细分为电源部分、信号 处理部分、接口部分、低压多路输出部分及高压放大部分，并对各部分的器件选 择进行了详细的分析介绍。 第四章详细介绍了偏振转换部分电极电压v i 的设计方案。首先介绍了低压 多路输出电路的硬件电路设计，包括接口电路设计，数模转换电路设计两大部分； 其次介绍了相应的控制程序设计，包括接口控制程序，以及数据存储处理部分， 并进行了分块测试，检测了设计方案的实际效果，并对结果进行了分析。 第五章详细介绍了波长转换单元电极电压v t 的设计方案。分析了硬件电路 的各器件选择依据，进行了仿真测试，并完成了电路的p c b 制版，检测了设计 方案的实际效果。 第六章是总结与展望章节，在本章中总结了论文的主要工作，并根据设计中 的经验教训以及新型r o a d m 技术的发展对电压控制模块提出的新要求，对今 后的工作提出了一些改进意见，并对进一步的工作进行了展望。 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 2 1f p g a 简介 f p g a 即现场可编程逻辑阵列。它是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性 能可编程逻辑器件，通常采用s r a m 工艺，也有一些专用芯片采用f l a s h 工艺或 反熔丝工艺等。f p g a 的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门 不等，可以完成及其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高 端数字逻辑电路设计领域【12 1 。 2 1 1f p g a 结构 f p g a 的基本组成部分有可编程i o 单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块 i 认m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。f p g a 的基本结 构原理图如图( 2 1 ) 所示。 内嵌专用 车富的 布战舞费 可稿程 l 幻单元 基奉可螭程 逻辑单元 _ -_ i _ _ _i i _ _ _ l _ _i _ i _ _ - _ _ _ - - 回 _ _ i i _ _ _ l l _ _ - - - _ _ 图2 1f p g a 基本结构原理图 雇层嵌入 功娩单元 嵌入式块 冀a m ( 1 ) 可编程输入输出单元。简称i o 单元，是芯片与外界电路的接口部分， 完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。大多数f p g a 的i o 单元都被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置以适配不同的外围电路。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元。基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可依 据设计自如的改变其内部的配置和连接，实现不同的逻辑功能。f p g a 一般采用 s r a m 工艺，通常由查找表与寄存器组成其基本可编程逻辑单元。f p g a 内部寄 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 存器结构相当灵活，可配置为带同步或异步复位或置位、时钟使能的触发器、也 可以配置为锁存器等。f p g a 通常依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。 ( 3 ) 嵌入式块r a m 。大多数f p g a 都有内嵌式可编程的块i 认m ，极大的扩 展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。通过对其灵活的配置可生成单端口r a m 、 双端口r a m 、f i f o 等常用存储结构，并可根据同时自动生成的粘合逻辑完成地 址和片选等控制。块r a m 的数量和配置方式是f p g a 芯片选择的一个重要标准。 ( 4 ) 丰富的布线资源。f p g a 内部有丰富的布线资源，连通内部所有单元， 连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。f p g a 内部的布 线资源可分为全局性的专用资源、长线资源、短线资源等。实际设计中，设计者 可以通过布局布线器自动选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块。布线资 源的优化与设计的实现的速度和面积的结果有直接关系，需要认真考虑。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元。这个概念比较笼统，本文中所指的是那些通用程度 较高的嵌入式功能模块，如p l l ( p h a l o c k e dl 0 0 p ) 、d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、 d s p 、c p u 等。随着f p g a 的发展，这些模块被越来越多的嵌入到f p g a 的内 部，以满足不同应用的需求。 ( 6 ) 内嵌专用硬核。不是所有f p g a 器件都包含硬核。本文中所指内嵌专用 硬核与前面“底层嵌入单元”是有区别的，专指通用性相对较弱的专用功能单元。 2 1 2f p g a 设计流程 一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合优 化、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤。 如图( 2 2 ) 所示。 ( 1 ) 电路设计与输入。常用的设计输入方法有硬件描述语言和原理图设计输 入方法等。原理图设计方式适用于设计规模较小的电路与系统。其优点是直观、 便于理解、元器件库资源丰富，可清晰的展示设计的层次结构、模块化结构。缺 点为可维护性较差，不利于模块构造和重用。在进行大型工程设计中，通常采用 硬件描述语言作为输入方式，其特点是自顶向下设计，逐层描述自己的设计方案， 用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。因此可移植性与通用性好。 此外，波形输入法与状态机输入法也是两种常用的辅助设计输入方法，可用于一 些特殊情况下减少设计者的工作量，并不适合所有的设计方案。 ( 2 ) 功能仿真。电路设计完成后，需用专用的仿真工具对设计方案进行功能 仿真，验证电路功能是否满足设计要求。功能仿真也可称为前仿真，能及时发现 设计中的问题，加快设计进度，提高设计的可靠性。 ( 3 ) 综合优化。综合优化( s y n t h e s i z e ) 是指将) l 语言或原理图等设计输入 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 翻译为由与、或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元构成的逻辑网表连接， 并根据目标与要求进行优化，优化的目标主要为面积和速度两个方面，设计者可 根据需要进行选择。 图2 2 完整的f p g a 设计流程 ( 4 ) 综合后仿真。综合完成后需要检查综合结构是否与原设计一致。综合后 仿真只能估计门延时对设计的影响，不能估计线延时，因此仿真结果与布线后实 际情况依然存在一定差距，并不能十分准确。 ( 5 ) 实现与布局布线。综合实际上是生成一些由与、或、非门，触发器，r a m 等基本逻辑单元组成的逻辑网表，其结果与实际情况存在一定差距。因此需将综 合生成网表适配到具体的器件上，这个过程叫实现。实现过程中最重要的是布局 布线。其中布局是指将逻辑网表中的硬件元件和底层单元合理的适配到芯片内部 固有的硬件结构上，布局的好坏直接影响到设计最终实现时的面积和速度等方 面：布线是指根据布局的拓扑结构，利用f p g a 内部的各种连线资源，合理的连 接各个元件。 ( 6 ) 时序仿真。时序仿真是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表中进 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 行的仿真。布局布线后生成的仿真延时文件不仅包含门延时，还包括实际布线延 时，包含的延时信息最全，布线后仿真的结果最准确，能较好的反应芯片的实际 工作情况。 ( 7 ) 板级仿真与验证。在一些高速设计情况下还需要使用第三方的板级验证 工具进行仿真和验证，分析高速设计的信号完整性、电磁干扰等电路特性。 ( 8 ) 加载配置。当之前的设计过程都没有发现问题，能满足设计要求时，即 可将由f p g a 布线适配器产生的配置下载文件通过下载电缆或编程器载入到目 标芯片中。 ( 9 ) 调试。在完成步骤l 至8 后，就可进行在线调试或者将生成的配置文件 写入芯片中进行调试。示波器和逻辑分析仪是主要的调试工具。 在任何步骤发现问题，就可根据错误的位置针对相应的步骤进行更改或重新 设计。 2 1 3f p g a 设计中常见问题及注意事项 在f p g a 设计过程中，为了提高系统的运行性能，防止错误发生，需要注意 一些问题，例如怎样避免毛刺的产生，异步电路之间的如何通讯以及如何实现三 态等。 信号通过f p g a 芯片内部的连线和逻辑单元时，都会产生一定的延时，延时 的大小取决于连线的长短以及逻辑单元的数目；同时，信号的高低电平转换也需 要一定的时间。由于以上两个原因多路输出的电平变化并不是同时发生变化， 组合逻辑的输出有时会出现一些不正确的尖峰信号，也就是“毛刺 【1 3 】。毛刺 并不是对所有的输入都有危害，如对于d 触发器的输入端，只要不出现在时钟 的上升沿并满足数据的建立保持时间，就不会对系统有危害。而清零或置位等端 口对于毛刺却非常敏感，任何一点毛刺信号都有可能引起系统的逻辑错误。因此 消除毛刺是f p g a 设计中的一个重要问题。消除毛刺的一般方法有： l 、采用格雷码计数器。格雷码计数器不同于普通二进制计数器，它的输出 每次只有一位跳变，避免了竞争冒险的发生。 2 、采样法。通过加入取样脉冲，使输出信号只有在取样脉冲工作期间才有 效，以此来避免毛刺影响输出波形。 3 、锁存法。由于d 触发器的输入端对毛刺信号不敏感，可利用触发器来读 取组合逻辑的输出信号，以此来消除毛刺。 此外通过使用状态机也可以实现信号的同步和消除毛刺的目的。延迟法、冗 余项法、吸收法等方法也可以大大减少毛刺。 在f p g a 的设计中，异步电路虽然具有电源消耗少，电路速度较快，逻辑单 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 元消耗较低的优点，但异步电路的接口连接时必须使用握手信号才能实现，且较 难进行模拟和排错，因此应尽量选用同步电路，达到消除不同逻辑路径速度不同 目的。 值得注意的还有，在状态机设计中，输入需使用同步信号，输出需采用寄存 器，且不能有死锁状态；在有寄存器和触发器的电路中，不能使用锁存器：应充 分利用f p g a 的全局时钟，全局清零，全局置位等全局资源，来减少的毛刺并大 大提高电路的工作性剿1 4 】。 2 2e d a 工具介绍 目前，e d a 工具的发展已经进入到一个崭新的时期。各个f p g a 厂商也不 断地提高其f p g a 芯片的开发工具性能，使得对f p g a 的开发过程越来越简单 容易，工程项目的开发周期也变得越来越短。以a l t e 随公司为例，从最初的 m a x p l u s i i 到q u a n u s i i ，功能越来越强大，下面简单介绍一下q u a n u s i i 。 q u a 咖s i i 是a l t c 阮公司的综合性p l d 开发软件，支持原理图、佃i l 、 v e m o g - h d l 以及a h d l ( a i t e mh a r d w a r cd e s c r i p t i o nl 锄g u a g e ) 等多种设计输入 形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整 p l d 设计流程。它提供了完善的用户图形界面的设计方式。具有运行速度快， 界面统一，功能集中，易学易用等特点。 q u a n u s n 支持a l t e 随的i p 核，包含l p m m e g a f u n c t i o n 宏功能模块库，用 户可以充分利用成熟的模块，以此来简化设计的过程，加快设计速度。它对第三 方的e d a 工具能够良好的支持，使用户可以在设计流程中使用自己熟悉的第三 方e d a 工具。此外，q u a r t u s l l 支持a l t e m 的片上可编程系统( s o p c ) 开发，是 集系统设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体的综合性开发平台。 2 2 1q i a n i l si i 的设计流程 q u a r t u s i i 的设计流程如图( 2 3 ) 所示。 硬件 配置 与 仿真 图2 - 3q u a n u si l 的设计流程图 用户首先对所做的项目的设计要求明确设计目的、确定设计方案，然后利用 1 0 j 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 原理图输入方式或文本输入方式将设计方案输入到编译器中。输入完成后便可进 行编译，若编译过程中发现错误，则可根据错误原因找到设计输入中的错误并改 正，直到没有错误为止。编译完成后进行仿真，通过仿真结果检查设计是否达到 设计要求，若未达到设计要求，需要重新进行前面的步骤，不断修改优化设计直 至满足设计要求。当设计方案仿真成功后，需将设计配置到目标器件中进行硬件 验证与测试检验实际效果。 2 2 2q u a 嘲l s i i 的设计特点 q u a m s l l 支持文本输入方式、图形输入方式等输入方式，并将设计、综合、 布局布线和验证功能以及第三方e d a 工具无缝的集成在一起，便于使用者上手 并在设计各阶段使用熟悉的e d a 工具。q u a n u s i i 还充分发挥了f p g a 、c p l d 和结构化a s i c 的效率和性能，提供多种设计特性来加快设计过程【1 5 】： l 、编译增强特性提高了设计效率 q u a n u s i i 编译增强特性使得设计编译时间缩短了7 0 ，通过l o g i c l 0 c k 设计 流程设计人员可以针对独立的设计分区进行优化，对于没有改动的分区则保留其 性能不变，从而缩短了设计周期。 2 、更快集成i p q u a 咖s i i 设计软件包含有s o p cb u i l d e r 工具。这是q u a n u s i l 特有的软件工 具，能够快速、方便地构建、评估嵌入式系统，使用户能够将精力集中于用户逻 辑设计上，无需手动完成系统集成任务，从而提升系统性能。s o p cb u i i d e r 提供 的a l t e 豫m e g a w i z a r dp i u g i nm a n a g e r 可以方便的参数化、例化i p 功能，减少设 计输入时间，提高设计性能。 3 、在设计周期的早期就对i o 引脚进行分配和确认 不论顶层的模块是否已经完成，q u a n u s l l 都可以预先对i o 进行分配和确认， 这样就可以在整个设计流程中尽早开始p c b 版的布线设计工作。设计者可以在 任何时间对引脚的分配进行修改和确认，无需再进行设计编译。 4 、功率分析和优化 q u a n u s i i 软件的p o w e r p l a y 技术可以使设计者对动态和静态功耗进行精确地 分析和优化。该技术能够产生详细的功率分析报告，指明哪种器件结构甚至是设 计层次消耗了最大热量。 5 、存储器编译器 设计者可使用q u a n u s i i 软件中提供的存储器编译器的功能对a l t e 豫f p g a 中的嵌入式存储器进行轻松管理。q u a n u s i l 软件的4 o 版和后续的版本都增加了 针对f i f o 和r a m 读操作的基于现有设置的波形动态生成功能。 第二章核心器件f p g a 及开发工具简介 6 、支持c p l d 、f p g a 和基于h a r d c o p y 的a s i c 除了c p l d 和f p g a 以外，q u a r t u s i i 还在业界首次允许设计者通过易用的 f p g a 设计软件来进行结构化的a s i c 设计，并且能够对设计后的性能和功耗进 行准确的估算。 7 、使用全新的命令行和脚本功能自动化设计流程 设计者可方便的使用命令行或图形用户界面( g u l ) 独立运行软件中的综合、 布局布线、时序分析以及编程等操作。除了提供s y n o p s y s 设计约束( s d c ) 的脚本 支持以外，q u a r t u s i l 软件中目前还包括了易用的工具命令语言( t c l ) 界面，允许设 计者使用该语言来创建和定制设计流程和满足用户的需求。 第三章电压控制模块设计 第三章电压控制模块设计 3 1 电压控制模块主要设计指标 本课题的主要任务是为一种新型的电光调谐型r o d a m 提供电压控制模块。 该模块可分为两部分，第一部分为v i 部分，即为新型r o a d m 的偏振转换部分 ( p c s ) 提供偏置电压的低压多路输出部分；第二部分为v 。部分，即为新型r o a d m 的波长调谐单元( w t u ) 提供电极电压的高压输出部分。电压控制模块的设计需具 有响应时间短，输出电压稳定，可根据传输信号波长需求动态配置等特点。该电 压控制模块需满足以下技术指标： v i 部分： ( 1 ) 同时输出5 0 路电压信号。各路输出电压变化步长精度不大于o 1 v ，输 出电压范围为士5 v ： ( 2 ) 该5 0 路电压信号可根据传输波长需求进行动态配置，以满足不同波长 载波信号的上载与下载需求； ( 3 ) 整个模块的响应时间必须控制在纳秒量级，以满足电光调谐型r o a d m 对调谐速度的要求： ( 4 ) 电压控制模块需提供与上位机的接口，接收上位机的控制信号，实现5 0 路电压输出的动态控制功能； v t 部分： ( 1 ) 输出电压范围为0 3 0 0 v ，步进长度不大于0 5 v ； ( 2 ) 输出电压可根据实际传输波长的需求随时更改。 3 2 电压控制模块设计方案 根据系统功能及要求，电压控制模块需负责系统控制信号的监测、接收任务。 在接收到控制信号后需及时将其转化为相应的数字信息，并通过外部转换子模块 把数字信息转化为所需的输出电压，实现了输出电压的智能控制。根据不同输出 的功能特点，电压控制模块总体可分为低压多路输出模块v i 部分和高压输出v t 部分。根据各部分的工作任务特点，系统整体又可细分为以下几个子模块：电源 部分，接口部分，信号处理部分，低压d a c 转换部分，高压放大部分。图( 3 1 ) 第三章电压控制模块设计 为模块结构示意图。 图3 1 模块结构示意图 模块中f p g a 芯片为核心器件，负责信号处理部分。f p g a 芯片内部可定制 r a m 。对于高压输出v t ，信号处理部分保持对接口部分的监测，当接口部分传 来上位机的控制信号后，信号处理部分将控制信号进行处理，并通过l o 端口对 高压放大部分电路的阻值进行调节，从而达到调节高压输出的作用；对于低压多 路输出v i ，可将各路d a c 所对应的数字信息预先存储到定制好的l 认m 中，在 接收到控制信号后，信号处理部分负责把接收到的控制信号转化为相应的地址信 息，并映射到r a m 读取相应的数据，接着通过f p ( 认芯片上的i o 端口将待转 换的数据传输到d a c 部分，实现数模转换，使低压多路输出部分输出与控制信 号相匹配的一组电压。 模块中电源部分负责为模块内各个芯片提供工作电压。本模块统一采用 + 1 2 v 电压源作为电压输入，其余电压均通过专门的电压转换电路获得，以此达 到简化模块的电源输入，满足不同芯片的工作电压需求的目的。 模块中接口部分包括信号处理部分中负责检测及接收上位机的控制信号的 控制信号输入接口，负责在f p g a 芯片测试前对芯片进行初始化的初始化信息输 入接口，以及模块电路与控制程序调试成功后将控制程序固化到匹配存储器的控 制程序固化接口。 模块中的低压d a c 转换部分负责将从i o 端口输出的数字信号转换为一组 范围为5 v 到+ 5 v ，步长精度不大于0 1 v 的电压。设计要求同时输出5 0 路电压 信号，因此所需的d a c 芯片较多。而f p g a 芯片有足够多的i o 管脚进行配置， 能够满足数模转换需要。 模块中的高压放大部分负责将+ 1 2 v 的输入电压转化为一个输出可调的，范 围为0 3 0 0 v 的电压，作为波长调谐单元( w t u ) 电极电压v t 。由于输出电压大 于3 6 v ，属于强电范围，因此需要将可调升压电路与低压多路输出电路分开设计， 达到同时满足新型r o a d m 对于电压的要求。 第三章电压控制模块设计 3 3 元器件选择 3 3 1f p g a 芯片 f p g a 芯片是整个电压控制模块的核心器件，模块的大部分工作都要依赖 f p g a 芯片的控制才能顺利完成。因此，芯片的选择直接决定着模块的性能。为 满足模块的设计要求，在选择芯片时需主要考虑一下几个方面的指标： ( 1 ) 处理速度。模块要求响应时间必须控制在纳秒量级，因此芯片处理速度 需足够快，支持高频率( 1 0 0 m h z 以上) 。 ( 2 ) 内部r a m 。模块低压输出部分要求同时输出为5 0 路电压信号，因此芯 片内部需支持足够多的r a m 模块，以满足为各路d a c 定制对应的r a m 的需 求，同时应保留一部分余量，满足今后其他扩展设计的需要。 ( 3 ) i o 管脚。模块的输出路较多，因此芯片应具有足够多的i o 管脚，以满 足d a c 芯片对数字信号以及控制信号输入需要。同时，芯片需提供足够的怕 管脚以满足各种接口以及其他相关输入输出的需要。 ( 4 ) 嵌入式功能。所选芯片应支持嵌入式功能，以方便今后模块其他功能的 扩展。 ( 5 ) 性价比。模块作为新型r o a d m 的一部分，为降低其整体成本，在满足 模块设计要求的前提下，芯片选择时需考虑到所选芯片的性价比【1 6 】。 在综合考虑了以上各指标和降低p c b 制板难度等因素后，最终决定选用 a l t e m 公司推出的高性价比的c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 n ，其 主要技术指标如下： ( 1 ) e p 2 c 2 0 系列芯片支持最快2 6 0 m h 【z 的频率，处理速度足够快，并且支持 多达4 个可编程锁相环( p l l ) 和最多1 6 个全局时钟线，具备强大的时钟管理和频 率合成能力； ( 2 ) 内含1 8 ，7 5 2 个逻辑单元，5 2 个m 4 kr a m 块，数据读取时间为3 0 n s 能够满足d a c 转换对于存取数据的容量以及速度需求； ( 3 ) 用户最多可定义1 4 2 个i o ，管脚的管脚延迟为2 0 n s 并提供高级外 部存储器接口支持，支持各种当前主流单端i o 标准和差分i o 信号，能够满足 模块对于引脚的需求； ( 4 ) 可采用a l t e m 串行配置器件进行配置，在本设计中，选用的是4 mb i t 的 e p c s 4 作为串行配置器件，在模块开始工作时对芯片自动进行初始化： ( 5 ) c y c l o n eh 系列f p g a 芯片是专为成本敏感的应用提供定制特性而设计 的，提高了模块的性价比 此外，a i t e m 公司为设计者提供了使用方便的免费设计软件q u a n u si i ，软件 第三章电压控制模块设计 还提供多种知识产权( i p ) 核支持设计者简化设计流程，优化设计方案。a l t e m 公 司同时为设计者提供硬件开发套件来支持设计者进行实验测试，缩短设计周期 【l 刀 。 由上面介绍的可见，e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 n 可满足设计要求，而p c b 板也只需要 设计成双层板，降低了设计的复杂度和成本。 3 3 2 低压d a c 转换器 d a c 转换器作为低压多路输出部分的核心器件，它的性能直接决定v i 输出 的性能。在选择d a c 转换器过程中，应主要考虑转换器的性能、结构以及应用 特性。在性能上必须满足数模转换对输出的范围、速度、精度等要求，在结构和 应用上需满足外围电路简单，接口协议简单，