（通信与信息系统专业论文）基于fpga的磁通门信号处理.pdf

中文摘要 近年来随着数字化进程的加速，我们的社会逐步进入了数字化时代。随着数 字信号处理技术和现场可编程门阵列( f p g a ) 的发展，采用f p g a 器件来设计硬 件系统可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，同时还 可以很方便的对设计进行在线修改。本文针对磁通门信号采集与处理的具体特 点，对基于f p g a 的磁通门数字信号处理系统进行了研究与设计。传统的磁通门 输出信号常采用模拟电路来进行处理，因为模拟电路的温度性能较差，并且改善 其温度性能需要花费较高的成本，而数字信号处理系统有较好的温度性能，且应 用数字处理系统来处理磁通门信号的研究还不多，因此本文主要目的是设计磁通 门信号的数字处理系统，来改善传统的磁通门信号处理的模拟电路的温度性能。 本文论述了磁通门信号数字处理系统的工作原理与设计过程，仿真验证了适 合该系统的设计方案。根据一般数字信号处理系统结构，本论文中研究的系统可 分成片外d 转换电路和片内系统两大部分。在片内系统设计中采用f p g a 芯 片作为系统的载体，并着重对系统级芯片内部模块化设计进行了论述。在设计中 采取了按功能分割各个模块，并分别设计系统的各个模块的方法。 在f p g a 片内的磁通门数字信号处理系统设计中，以信号的走向为主要设计 思路，分别设计了a d 控制模块、整流模块、f i f o 模块、数据处理模块、显示 模块，后对各独立模块构成的整体系统进行了论述，最后得到了一个输出值与理 论值进行比较。在整个系统的设计中借助i s e 仿真工具，采用自顶向下的设计方 案，先进行系统建模再运用v h d l 语言来进行各模块的硬件描述。在所有模块 源代码编写完毕以后，通过编写测试激励文件对各独立模块及系统的总体进行功 能仿真，并对仿真结果进行了分析。 关键词：温度性能，相敏整流，硬件描述语言，模块化设计 a bs t r a c t s i n c et h ea c c e l e r a t i o no fd i g i t a la d v a n c e m e n t ，o u rs o c i e t yi sg o i n gi n t od i g i t a l t i m e s s i n c et h ed e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o p l o g ya n df p g a ，t h eh a r d w a r es y s t e m d e s i g n e db yf p g ad e v i c ei se a s i l ym a d ei n t oc h i pp r o d u c t i o n ，s oo n l i n er e w o r ki s e a s i l y t h ec i r c u i td e s i g n e rc a nv i ah a r d w a r ep r o g r a m m i n gt oa c h i e v es p e c i f i c a l l y d i g i t a lp r o c e s s i o na r i t h m e t i c ：t h i st h e s i sa i m i n gt oc h a r a c t e r i s t i co ff l u x g a t es i g n a l p r o c e s s i o n a n dc o l l e c t i o n i n v e s t i g a t e s ，d i s c u s s e s t h e f l u x g a t es i g n a lp r o c e s s i n g s y s y t e mb a s e do nf p g a b e c a m et h et r a d i t i o n a lf l u x g a t eo u t p u ts i g n a li sc o m m o n l y p r o c e s s e db ya n a l o g yc i r c u i ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ei s al i t t l eb a d ， e s p e c i a l l yt h ec o s to fi m p r o v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c si sh i g h e r , b u tt h et e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e mi sb e t t e ra n da p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a l p r o c e s s i n gs y s t e mt op r o s e s st h ef l u x g a t eo u t p u ts i g n a li sn o tm u c h , t h em a i np u r p o s e o ft h i st h e s i si s 幻d e s i g nd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e mt oi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et e m p e r a t u r eo f a n a l o g yc i r c u i t t h i st h e s i sd i s c u s s i n gt h ed e s i g n i n gp r o c e s sa n dw o r k i n gt h e o r y , s i m u l a t e sa n d v a l i d a t e sd e s i g ns c h e m ef i tt ot h es y s t e m b a s e do nc o m m o n l yf l a m eo fd i g i t a l p r o c e s s i n gs y s t e m ，o u rs y s t e mc a ns e p a r a t ei n t ot w od e p a r t m e n t s o u t s i d es l i c ea d c i r c u i ta n di n s i d es y s t e md e s i g n i nt h ei n s i d es y s t e md e s i g nw eu s ef p g aa st h e c a r r i e ro fs y s t e ma n de m p h a s i sd i s c u s sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g no fi n s i d es y s t e m i nt h e d e s i g np r o c e s sw eb a s eo nt h ef u n c t i o nt od i v i d et h es y s t e mi n t od i f f e r e n tb l o c k s ，a n d w eu s et h em e t h o do f s e p a r a t e l yd e s i g nd i f f e r e n tb l o c k so fs y s t e m i nt h ed e s i g no fd i g i t a lp r o c e s s i n go ff l u x g a t eo u tp u ts i g n a ls y s t e m ，t h i st h e s i s s e p a r a t e l yd e s i g n st h e b l o c k o fa d c o n t r o l l i n g ，c o m m u t a t i n g ，f i f o ，d i g i t a l p r o c e s s i o na n dv i s i o n ，i nt h ee n dd i s c u s s e st h ei n t e g e rs y s t e md e s i g na n dm a g n e t i c f i e l dv a l u e s i nt h ew h o l ed e s i g nw eu s es i m u l a t i o nt o o li s et oc r r r yo u tt h e f r o mt o p t ob o t t o m ”d e s i g ns c h e m e ，w ec a r r yt h r o u g hs y s t e mm o d e l i n ga tf i r s ta n dt h e nu s e v h d ll a n g u a g et od e s c r i b ed i f f e r e n tb l o c k s w h e na l lt h es o u r c ec o d e sa r ef m i s h e d ， w ec a nc o m p i l et e s tb e n c hf i l et os i m u l a t et h ed i f f e r e n tb l o c ka n di n t e g e rs y s t e m ，a t t h es a m et i m ea n a l y z e st h es i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，p h a s ed e t e c t i n gr e c t i f i e r , h d l ，m o d u l a r i z i n g d e s i g n ， l i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 由于磁通门传感器的广泛应用，磁通门传感器输出信号的处理理论已经比较 完善，但磁通门传感器输出信号的处理一般采用模拟电路来进行，因此其温度性 能较差。而采用数字信号处理可以改善模拟电路的温度性能且用f p g a 对磁通门 输出信号进行数字信号处理的研究较少，本论文具有一定的现实意义。因为数字 信号处理技术和现场可编程门阵列( f p g a ) 的发展，利用f p g a 对磁通门输出 信号进行数字信号处理，可以对传统的磁通门传感器输出信号的处理有一定的改 进。电路设计者可以通过软件编程，经过设计输入、仿真、测试和校验，用硬件 实现特定功能的芯片级产品。这种方法由于具有通用性强的特点并可以实现算法 的并行运算，是比较活跃的研究领域。设计采用f p g a 来实现数字信号处理，利 用f p g a 可以实现信号并行处理；数字信号处理相比模拟信号处理的误差降低； 处理过程的实时性比用单片机好。因此，对原模拟信号处理系统而言，用f p g a 来实现数字信号处理能使原系统的某些性能有较大的改善。 1 2 本人的主要工作 f p g a 以其功能强大，开发过程投资少、周期短、可反复修改、保密性好( 黑 匣子) 、开发工具智能化等特点成为当今硬件设计的首选方式之一。本论文的工 作主要是在研究磁通门输出信号的特性、以及在f p g a 模块化设计的基础上，以 x i i i n xs p a r t a n i ix c 2 s 1 0 0 芯片为依托，在其中构建一个具有一定精度和速度磁通 门输出信号的数字处理系统。 具体包括以下几方面的工作： i 研究原模拟的磁通门输出信号处理系统，着重研究原系统的各部分模块 的功能，并应用数字信号处理的原理，设计相应的数据处理模块，包括相敏整流， 低通滤波等； 2 掌握f p g a 的特点和工作原理，将f p g a 的模块化设计合理运用于所设 计系统之中； 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 3 重点研究片内系统各个模块构造，以及各个模块或内部的各信号之间联 系。考虑到本课题所使用的开发板中内嵌的x i l i n xs p a r t a n i ix c 2 s 1 0 0 的f p g a 芯片为系统之载体，在满足一定精度与速度的条件下搭建出系统的各个模块； 4 对各个模块及总体功能进行分析，编写出相应的基于v h d l 语言的源代 码，并完成设计输入； 5 设计输入完成之后，对所设计的系统各模块进行综合、仿真、验证，并 分析最终的结果，参照预先设定的要求，根据仿真结果对不足之处进行不断修改， 直到满足要求为止。 1 3 本文的内容安排 本文在内容上做了如下安排： 第一章，绪论部分，总体对设计工作及论文情况进行简要介绍； 第二章，介绍模拟磁通门输出信号系统的组成，并着重对其系统功能进行较 详细的讨论； 第三章，简单的介绍一下f p g a 的基本原理以及它的设计流程，另外还论述 了本人对f p g a 模块化设计( m o d u l a r z i a t i o nd e s i g n ) 方法的理解； 第四章，通过对所设计的数字信号处理系统的各种条件分析，对本课题所研 究的对象在所基于的f p g a 芯片内部进行系统级的搭建，并详细论述了系统内部 各模块的设计方法与设计流程，并且使用基于v h d l 语言的描述编写出源代码， 为下一步的各级仿真工作做准备； 第五章，在完成设计输入之后，通过各级仿真确定系统的功能及时序是否正 确，验证系统的采样输出精度和速度是否满足要求，在各模块及总体的各级仿真 通过之后，便可上板进行最后的验证了； 第六章，结论。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第二章磁通门输出信号处理的理论基础 2 1 磁通门输出信号及其处理电路 本节主要讨论磁通门的输出信号和其处理方法，及其相应的模拟电路。 2 1 1 磁通门的输出信号 为了方便分析，假设铁心的b h 曲线近似为三段折线( 如图2 - l ( a ) 所示) 。 当l h l h ( 图中 其它段) 时，铁心的磁导率为0 。按此假设，给激励线圈通入能使铁心足够饱和 的正弦电流后，在双铁心磁通门的两根铁心中产生的磁场强度( 如图2 - l ( b ) 所示) 分别为： h 。= h 。+ h 。s i nc o t ( 在图中用实线表示) ； h ，：= h 。一h 。s i n a g( 在图中用虚线表示) 。 相应的磁感应强度为e 和口：如图2 - 1 ( c ) 所示。b 和占，的变化在两个测量线 圈中感应出的电压“。和u ，( 如图2 1 ( d ) 所示) 在基波的一个周期之内为： ：s 堡： 1 矾 “：s 堡： 。 廖 一n 2 s , u h 。0 9c o s c o t o n ：s p h ，c o sc o t 0 f 0 c o t 口1 i 口，fca ；l ( 2 - 2 ) l a # 0 3 t 2 z r j 其它 双铁心磁通门传感器的输出电压u ( 波形如图2 - 1 ( e ) 所示) 为 2 q 豫 f r 拼细如 v i ， o 口口 西北工业大学硕士学位论文第二章磁通门输出信号处理的理论基础 “= l + 材2 = 一n l s p h 。c o so ) t n 2 s f h 。c o s ， o 其它 ( 2 - 3 ) 其中： 卟叫簪) 心s m ( 警) 一铲 a s = 厅+ 口l ，d 6 = 丌+ a i ，口7 = 2 万一n2 ，口l = 2 万一口i 式( 2 - 1 1 ) 展开成傅立叶级数得： “= 重：跚，舛击【c 。s o + t b 一s k ：卜 +击嘲一1)a，-coslk ：】j s m l l ( a ) b i h 。h m ， i 、- 1 h - _? 弋鲁： r i 、 i h 、 一一一 i 1rw t ( b ) ( e ) 图2 - l ：双铁心磁通门的输出电压 4 、l， 口 瑾 口 瑾 ( 耐 础 饼积 一 一 r ，r 。和r 。 分流很小，对输出信号无害，所以电容c 。可以去掉。 弓 r 卜 卜 图2 - 6 ：去掉c 。后的电路 电容c 2 左边的直流电压主要是选频电路的零偏造成的，数值一般较小。当 相敏整流电路的设计满足( 2 - 1 0 ) 式，能消除直流分量的影响。所以选频电路与相 西北工业大学硕士学位论文第二章磁通门输出信号处理的理论基础 敏整流电路之间的隔直电容c z 也可以去掉。在实际电路中，电容c ，和c 2 被短路 线所取代。 2 2 小结 本章对磁通门传感器的信号处理电路作了简要的讨论，着重介绍了磁通门传 感器输出信号处理电路的理论依据和其模拟信号的处理电路，并对模拟电路的功 能作了简要地分析。本章内容是本人的毕业设计的重要的理论依据，为本人的系 统设计提供了重要的思路。 本人毕业设计的目的是利用f p g a ，设计相应的数字信号处理系统，对磁通 门输出的模拟信号进行数字信号处理。本人所设计系统是将磁通门输出信号通过 a d 转换电路，变为数字信号，再进行后续处理。 9 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 第三章基于f p g a 的片内系统设计 3 1f p g a 设计基础 3 。1 。1 可编程逻辑器件p l d 3 1 1 1p l d 的发展 p l d 是可编程逻辑器件( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 的简称，f p g a 是现场可 编程门阵列( f i e l d p r o g r a m a b l e g a t e a r r a y ) 的简称，两者的功能基本相同，只是实 现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件 或c p l d f p g a 。p l d 是电子设计领域中最其活力和发展前途的一项技术，它的 影响丝毫不亚于7 0 年代单片机的发明和使用。p l d 能做什么呢? 可以毫不夸张 的讲，p l d 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 电路， 都可以用p l d 来实现。p l d 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统 的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真， 我们可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用p l d 的在线修 改能力，随时修改设计丽不必改动硬件电路。使用p l d 来开发数字电路，可以 大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。p l d 的这些优点使得 p l d 技术在9 0 年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了e d a 软件和硬件 描述语言( h d l ) 的进步。 3 1 1 2f p g a c p l d 的原理与区别 f p g a ( 现场可编程门阵列1 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑 器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ， g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围 内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都 开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和 a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。 简化的f p g a c p l d 的结构由4 部分组成：输入输出模块、二维逻辑阵列 0 西北正业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 模块、连线资源和内嵌式存储器结构。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，也可以根据设计灵活地改变连接与配置，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：内嵌式存储器结构可以在芯片内部存储数据。f p g a 与c p l d 的主要区别便是两者的二维逻辑阵列模块内部结构不同。 1 c p l d 的二维逻辑阵列基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 结构，它的内部结构如图 3 1 所示。这种p l d 可分为三块结构：宏单元( m a r o c e l l ) ，可编程连线( p i a ) 和i o 控制块。宏单元是p l d 的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图3 1 中蓝 色部分是多个宏单元的集合( 因为宏单元较多，没有一一画出) 。可编程连线负 责信号传递，连接所有的宏单元。i o 控制块负责输入输出的电气特性控制，比 如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。图3 - 1 左上的 i n p u t g c l k l ，i n p u t g c l r n ，i n p u t o e l ，1 n p u t o e 2 是全局时钟，清零 和输出使能信号，这几个信号有专用连线与p l d 中每个宏单元相连，信号到每 个宏单元的延时相同并且延时最短。 图3 - 1 ：基于乘积项的p l d 内部结构 2 f p g a 的二维逻辑阵列模块是基于查找表( l o o k u p t a b l e ) 结构，简称为 l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每 一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。当用户通过原理图或 h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路 儿 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样，每输入一个信号进行逻辑 运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。如表 3 一l 所示，为一个4 输入与非门的例子。 实际逻辑电路l u t 的实现方式 地址线i i 至当咀 b i1 6 x i 咖 输出 !l 。一 0 t r r 】 a , b ，c ，d 输入 逻辑输出地址r a m 中存储的内容 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 100 0 0 1o 0o | i l l l 11 1 1 11 表3 1 ：一个4 输入与非门的f p g a 的l u t 实现形式 本课题研究的对象便是基于x i l i n x 公司生产的s p a r t a n - i ix c 2 s 1 0 0 的f p g a 芯片，此芯片的内部构造如图3 2 所示。 图3 - 2 ：x i l i n xs p a r t a n - i i 芯片的内部构造 s p a r t a n - i i 主要包括c l b s ，i o 块，r a m 块和可编程连线( 未表示出) 。在 s p a r t a n i i 中，一个c l b 包括2 个s l i c e s ，每个s l i c e s 包括两个l u t ，两个触发器 和相关逻辑。s l i c e s 可以看成是s p a r t a n i i 实现逻辑的最基本结构，它的结构如 图3 3 所示。 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 图3 3 ：s p a r t a n - i i 的s l i c e s 结构 另外，f p g a 中寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设计； c p l d 中组合逻辑资源比较丰富，适合做组合电路较多的设计。本课题采用一片 f p g a 芯片作为系统的硬件载体。 3 1 2f p g a 的主要设计流程 f p g a 的设计流程是基于一定的开发环境进行设计输入、仿真、综合以及实 现的，在很多设计范围内是可以通用的。其流程图如3 4 所示： 图3 4 ：f p g a 设计流程图 1 电路设计与输入：常用的设计输入方法有硬件描述语言( h d l ) $ n 原理图设 计输入方法。原理图法是一种早期应用广泛的方法，它根据要求，选用器件、绘 制原理图、完成输入过程。优点是直观、便于理解、元件库资源丰富。但是在大 型设计中，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， 1 3 秘稍舰越 籼时淋 _ 芷鹣疆列 铋斌能 西北工业大学硕士学位论文第三章基午f p g a 的片内系统设计 当所选用的芯片升级换代后，所有的原理图都要做相应的改动。目前进行大型的 工程设计时，最常用的设计方法是h d l 设计输入法。用的摄多的就是v h d l 和 v e r i l o gh d l 。优点是可移植性、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。另外，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。 2 功能仿真：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 ，s y n o p s y s 公司的v c s ，c a d e n c e 公司的n c v e r i l o g 和n c v h d l 。 3 综合优化( s y n t h e s i z e ) ：是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、 或、非门，r a m ，寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标 与要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等文件，供 f p g a c p l d 厂家的布局布线器进行实现。常用的专业综合优化工具有s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y s y n p l i f yp r o 、a m p l i f y ，s y n o p s y s 公司的f p g a c o m p i l e r 等等。 另外，x i l i m xi s e 中自带的综合工具x s t 。 4 综合后仿真：检查综合结果是否与原设计一致，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。这种仿真的主要目的在于检查 综合器的综合结果是否与设计输入一致。 5 实现( i m p l e m e n t a t i o n ) ：综合结果的本质就是一些由与、或、非门、触发器， r a m 等基本逻辑单元组成的逻辑网表，它与芯片实际配置情况还有较大差距。 此时应该使用f p g a c p l d 厂商提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合 输出的逻辑网表适配到具体f p g a c p l d 器件上，这个过程就是实现。x i l i n x 的 实现过程分为：翻译( t r a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p a c e & r o u t e ) 等3 个步骤。 6 时序仿真：布局布线之后应该做时序仿真，时序仿真中应该将布局布线的 时延文件反标到设计中，使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。与前面各种 仿真相比，这种后仿真包含的延时信息最为全面、准确，能较好地反映芯片的实 际工作情况。 7 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。在x i l i n xi s e 中对应的开发工具就是i m p a c t 。 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 3 1 3v h d l 语言 硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h d l ) ，顾名思义，是电子系统 硬件行为描述、结构描述、数据流描述的语言。目前，利用硬件描述语言可以进 行数字电子系统的设计。随着研究的深入，利用硬件描述语言进行模拟电子系统 设计或混合电子系统设计，也正在探索中。 v h d l 的英文全名是v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，诞生于1 9 8 2 年。v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能 和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与 句法是十分类似于一般的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程 设计，或称设计实体( 可以是一个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或 称可视部分，及端口) 和内部( 或称不可视部分) ，既涉及实体的内部功能和算法完 成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，旦其内部开发完成后，其他的 设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的。 1 与其他的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决定 了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的 器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 2 v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验 设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 3 v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的 分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必 须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 4 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合 和优化，并自动的把v 鼢l 描述设计转变成门级网表。 j v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不 必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 本课题所设计的系统各模块都是使用v h d l 语言编写的源代码。 3 2 模块化设计方法 模块化设计方法是一种设计思路、设计方法。它是自顶向下、模块划分、分 工协作设计思路的集中体现。是当代大型复杂系统的首推设计方法。 1 5 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 3 2 1 模块化设计方法的基本概念 随着可编程技术的发展，f p g a 被广泛应用于电子设计的各个领域。越来越 多复杂系统的核心电路利用f p g a 设计完成，这些复杂系统经常需要使用百万门 以上的大规模f p g a 来设计。另一方面，为了对市场需求做出最迅速的反映，就 要求这些电子产品的设计周期尽量缩短，只有以第一时间推出成熟稳定的产品， 才能获得更大的市场份额。于是一方面需要百万门级以上的大规模f p g a 以满足 设计需要，另一方面需要在最短的时间内高质量地完成设计以满足市场需要，这 两者出现了矛盾。 解决这个矛盾的唯一出路是投入更多的人力，进行并行工作、协同设计。并 行工作、协同设计在一般工业生产中比较容易实现，例如生产一台汽车，可以在 不同车间并行生产不同的零部件，然后统一装配。如果每个零件的制造都能满足 图纸的公差标准，那每个零部件的制造关联就不是那么精密，完全可以独立地并 行生产制造，这种工作方法其实就是一种模块化设计方法。 将这种模块化设计思路运用于f p g a 的设计，将大规模复杂系统按照一定规 则划分成软件模块，然后对每个模块进行设计输入、仿真、综合、实现，并将结 果约束在预先设置好的区域内，最后将所有模块的实现结果有机地组合起来，就 能完成整个系统的设计。 3 2 2 模块化设计方法的设计流程 m o d u l a rd e s i g n 设计方法也遵循上一节讲述的f p g a 设计流程。只是在设计 输入、综合、实现等3 个主要操作步骤上一些特殊的要求和操作方法。图3 5 所 示为m o d u l a rd e s i g n 的设计流程。 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 图3 5 模块化方法设计流程 32 2 1m o d u i a rd e s i g n 的设计输入与综合步骤 m o d u l a rd e s i g n 的设计输入与综合完成以下两个方面的设计： 1 顶层模块的设计 项目管理者需要完成顶层模块的设计输入与综合，为进行m o d u l a rd e s i g n 实现阶段的第一步初始预算阶段( i n i t i a lb u d g e t i n gp h a s e ) 做准备。 2 子模块的设计 每个项目成员相对独立地并行完成各自子模块的设计输入和综合，为进行 m o d u l a rd e s i g n 实现阶段的第二步子模块的激活模式实现( a c t i v em o d u l e i m p l e m e n t a t i o n ) 做准备。 3 2 2 2m o d u i a rd e s i g n 的实现步骤 m o d u l a r d e s i g n 是整个设计流程中最重要、最特殊的，它包括一下3 个步骤： f 7 西北工业大学硕士学位论文第三章基于f p g a 的片内系统设计 1 初始预算( i n i t i a lb u d g e t i n g ) 在该阶段，项目管理者对顶层模块完成顶层约束。 2 子模块激活模式实现( a c t i v em o d u l ei m p l e m e n t a t i o n ) 在该阶段，每个项目成员并行完成各自子模块的实现。 3 模块的最后合并( f i n a la s s e m b l y ) 在该阶段，项目管理者将设计的顶层子模块激活模式实现的结果有机地组织 起来，完成整个设计的实现步骤。 在进行大规模复杂系统的设计时，采用m o d u l a rd e s i g n 设计方法能在最大程 度上发挥项目组所有工程师的作用，提高设计效率，缩短项目开发周期。但是 m o d u l a rd e s i g n 设计方法对项目管理者提出了更高的要求：项目管理者应该合理 地划分模块，对项目进度做出很好的权衡，使所有子模块设计任务并行完成，从 而不耽误模块的最后合并阶段的工作进度。 m o d u l a r d e s i g n 模块划分的基本原则为：子模块功能相对独立，模块内部联 系尽量紧密，而模块间的连接尽量简单。 本课题设计的数字信号处理系统就可以采用这种模块化设计方法，将较大的 系统划分为几个相互联系的小模块，然后分别设计，最后组合起来。下一章将对 所设计的数字信号处理系统的各个模块的设计过程进行论述。 西北工业大学硕士学位论文第四章数字信号处理系统的设计 第四章数字信号处理系统的设计 4 1 系统的总体设计思想 本设计采用的是自顶向下的数字逻辑系统设计方案。硬件描述语言可以在各 个抽象层次上对数字系统进行描述，而借助于e d a 设计工具，可以自动实现从 高层次到低层次的转换，这就使得自顶向下的设计过程得以实现。采用自顶向下 的设计方法的优点是显而易见的。由于整个设计是从系统的顶层开始的，结合模 拟手段，可以从一开始就掌握所实现的系统的性能状况，结合具体领域的具体要 求，在此时就调整设计方案，进行性能优化或折衷取舍。随着设计层次的向下进 行，系统性能参数将得到进一步的细化与确认，并随时可以根据需要加以调整， 从而保证了设计结果的正确性，缩短了实际周期。如图4 - 1 所示。 l 用系统的行为级描述表达一 1 个包含输入输出的顶层模块， l 同时完成整个系统的模拟与 性能分析 l 将系统化分为几个功能模块， l 每个功能模块有更细化的行 i 为描述表达 由e d a 综合工具完成到工艺l 的映射l 图4 1 ：自顶向下设计流图 4 2 数字信号处理系统的总体设计 4 2 1 系统设计要求 1 系统中所使用的a d 器应有较快的转换速度，本设计选取的m a x l1 3 2 西北工业大学硕士学位论文第四章数字信号处理系统的设计 是转换速率为2 0 0 k s p s 的转换芯片，能够满足系统的要求； 2 系统数字信号处理部分是通过f p g a 实验板设计完成的，该系统最后的输 出是1 6 位二进制数，浮点数的舍入误差不能过大； 3 系统采用的时钟是分频产生的，需对其进行整体的控制，保证信号处理的 连续性。 该系统属于实时数据处理系统，其控制器和数据处理器均可构造于一片单元 型f p g a 芯片s p a r t a n i ix c 2 s 1 0 0 中。 4 2 2 数字信号处理系统的纂本构成 要对原磁通门输出的模拟信号进行数字信号处理，首先要将磁通门输出的模 拟电压信号数字化，即使用a d 转换器对模拟信号数字化，然后再进行数字信 号处理。如图4 - 2 所示。 控制 图4 - 2 ：数字信号处理系统的整体框图 如图所示，磁通门输出的模拟电压信号送入a d 转换单元，转换为数字信号， 后通过f p g a 模块进行相关的数字处理，最后得到数字输出。而f p g a 还需完成 对a d 转换的控制。本设计选用的a d 转换器是转换速率为2 0 0 k s p s 的m a x l l 3 2 芯片，而磁通门输出的有用的模拟信号的频率为6 k h z ，所以采样控制是需要考 虑的一个重要问题，将在后面做详细讨论。 4 2 3 数字信号处理系统的片内结构及功能 依据2 2 3 内容，所设计的磁通门信号数字处理系统应包含如下几个功能模 块，如图4 - 3 所示。 西北工业大学硕士学位论文第四章数字信号处理系统的设计 图4 3 ：f p g a 片内模块图 图中 e l k一时钟信号( 实验板自带3 2 m 晶振) ； s 1 a r ta d 控制模块的启动信号； r s t一相敏整流模块的启动信号； f u l lf i f o 的溢出标志； e n一数据处理模块的启动信号。 各模块功能如下： ( 1 ) a d 控制模块 控制a d 芯片m a x l l 3 2 的运作，并输出1 6 位并行二进制数据； ( 2 ) 相敏整流模块 本模块主要是根据相位基准信号对信号进行正负变换； ( 3 ) f i f o 模块 此模块作为数据处理的缓冲器； ( 4 ) 数据处理 采用f i r 滤波器对整流后的信号进行滤波处理； ( 5 ) 显示模块 显示处理后输出的量化值。 磁通门的模拟电压输入有两路同步信号，即原始信号和基准信号，通过a d 控制模块后变为两路并行的数字信号，然后直流化，将采集到的点送入f i f o ， 通过对f u l l 信号的判断，当满足溢出条件时，对这些点逐一进行数据处理，否 则系统状态保持不变。 西北工业大学硕士学位论文第四章数字信号处理系统的设计 4 3 数字信号处理系统的各模块设计 4 3 1m a ) ( 11 3 2 a d 转换芯片简介 m a x l1 3 2 是2 0 0 k s p s 、1 6 位a d c 。此串行接口的a d c 可直接与s p g m 、 q s p v m 或m i c r o w 瓜e t m 连接，无需外部逻辑。它们集成了输入比例电路、内 部采样保持电路、时钟、+ 4 0 9 6 v 电压基准和三个通用的数字输出引脚( 用于外 部多路复用器或p g a 控制) ，采用2 0 引脚s s o p 封装。出色的动态特性( s i n a d 兰8 5 d b ) 、高速( 2 0 0 k s p s ) 以及低功耗( 7 5 m a ) 性能使其成为工业过程控制、仪表 和医疗设备等系统的理想选择。m a x l l 3 2 可接受0 至+ 1 2 v ( 单极性) 或1 2 v ( 双极性) 的输入信号。采用+ 4 7 5 vn + 5 2 5 v 单模拟电源供电和十4 7 5 vn + 5 2 5 v 的数字电源供电，1 0 k s p s 、关断模式下电流到l m h 降低数据速率可进一步将电流 降至2 0 “a 以下。串行触发输出( s s t r b ) 允许直接与t m s 3 2 0 系列的数字信号 处理器连接。 在设计中所选取得的m a x l l 3 2 是双极性输入、内部时钟、段采集的工作方 式，其工作时序如图4 - 4 示。 5 c d i n 一臣匪飘哑涸丑婶( & 蹈豫b 乜r 卜书i 面而 d o u t l 广鼍即臣巫盘巨囡圆兰至垦q 厂 图4 4 ：工作时序图 图4 4 中，t 。是采集输入信号的时间，f 。是进行转换所需要的时间，由 图可以看出，m a x l l 3 2 在片选口有效、开始位由d i n 端打入后即可开始对输 入信号的采集，并一直到控制字节p 位进入其内部移位寄存器以后便可完成对输 入信号的采集。由于m a x l l 3 2 在应用中需要在输入端连接一个放大器，而这个 放大器在输入信号变化时需要一定时间去响应信号的变化，所以输入通道应该在 信号的采集完成以后马上关闭，而不是在转换完成以后再关闭。此外串行选通信 号s s t r b