（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的pid控制器研究与实现.pdf

大连理_ 丁大学硕十学位论文 摘要 基于微处理器的数字p i d 控制器改变了传统模拟p i d 控制器参数整定不灵活的问 题。但是常规微处理器容易在环境恶劣的情况卜出现程序跑飞的问题，如果实现p i t ) 软 算法的微处理器凶为强干扰或其他原凶而出现故障，会引起输出值的大幅度变化或停1 e 响应。而f p g a 的应用可以从木质上解决这个问题。因此，利用f p g a 开发技术，实现 智能控制器算法的芯片化，使之能够广泛的用于备种场合，具有很大的戍用意义。 首先分析f p g a 的内部结构特点，总结f p g a 设计技术及开发流程，指出实现结构 优化设计，降低设计难度，是扩展设计功能、提高芯片性能和产品性价比的关键。控制 系统由四个模块组成，丰要包括核心控制器模块，输入输出模块以及人机接口。其中控 制器部分为系统的关键部件。在分析f p g a 设计结构类型和特点的基础上，提卅一种基 于f p g a 改进型并行结构的p i d 温度控制器设计方法。在p i d 算法与f p g a 的运算器 逻辑映像过程中，采用将补码的加法器代替减法器设计，增加整数运算结果的位扩展处 理，进行不i 一数据类型的整数归一化等不一角度的处理方法融合为一体，可以有效地减 少逻辑运算部件。应用q u a r t u si i 图形输入与v e r i l o gh d l 语言相结合设计实现了p i e ) 控制器，用m o d e l s i m 仿真验证了设计结果的正确性，用s y n p l i f yp r o 进行电路综合，在 q u a r t u si i 软件中实现布局布线，最后生成f p g a 的编程文件。根据控制系统的要求， 论文设计完成了1 2 位模数a d 转换器、数据显示器、按键等相关外围接口电路。 将一阶、纯滞后、大惯性电阻炉温作为控制对象，以e p l c 3 t 1 4 4f p g a 为核心，构 建p i d 控制系统。在采用p t l 0 0 温度传感器、分辨率为2 ，最大温度控制范围0 4 0 0 的条件下，实验结果表明，达到无超调的稳定控制要求，为降低f p g a 实现p i d 控制 器的设计难度提供了有效的方法。 关键词：f p g a ；v e r il o g8 d l ；p i i ) 算法；炉温控制 大连理t 大学硕+ 学协论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fp i dc o n t r o l l e rb a s e do nf p g a a b s t ra c t t h ep i dc o n t r o l l e rb a s e do i lm i c r o p r o c e s s o rs o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h ep a r a m e t e r sc a n n o tb ec h a n g e df l e x i b l yi nt r a d i t i o n a la n a l o gp i dc o n t r o l l e r b u tt h eg e n e r a lm i c r o p r o c e s s o r h a sal i m i to fb l i n dr u n n i n gw h e np l a c e di na t r o c i o u sc o n d i t i o n i ft h em i c r o p r o c e s s o rw h i c h i m p l e m e n t sp i da r i t h m e t i cb r e a k sd o w nf o rd i s t u r b a n c eo ro t h e rr c a s m l 8 ，i tw i l lm a k et h e o u t p u tv a l u e sc h a n g eal o to rs t o pr e s p o n s e ，w h i l ef p g a c a ns o l v et h ep r o b l e mi ne s s e n t i a l l y ， s oi t s s i g n i f i c a n tt oi m p l e m e n ti n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yi nf p g ae h i pa n da p p l yt h e mi n d i v e r s ec o n d i t i o n s f i r s t , t h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ff p g ai sa n a l y z e da n dt h ef p g ad e s i g nt e c h n o l o g ya n d d e s i g nf l o wi s s u m m a r i z e d i tp o i n t so u tt h a ti m p l e m e n t i n go p t i m i z e ds t r u c t u r ed e s i g na n d l o w e r i n gd e s i g nd i f f i c u l t yi s t h ek e yo fe x t e n d i n gd e s i g nf u n c t i o na n di m p r o v i n gc h i p p e r f o r m a n c ea n dp r o d u c tc o s tp e r f o r m a n c e t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o n s i s t e do ff o u rm o d u l e s ， i n c l u d i n gk e r n e lc o n t r o l l e rm o d u l e ，i n p u tm o d u l e ，o u t p u tm o d u l ea n di - i m im o d u l e ，o fw h i c h t h ec o n t r o l l e ri st h ek e y p a r t b a s e do nt h ed e s i g ns t r u c t u r es t y l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f f p g a , a l li m p r o v e dp a r a l l e ls t r u c t u r eo fp i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rb a s e do np f g ai sp u tf o r w a r d i nt h el o g i cr e f l e c t i o np r o c e s sf o rt h ep i da l g o r i t h ma n df p g a o p e r a t o r , t h en u m b e ro fl o g i c a r i t h m e t i cc o m p o n e n tc a nkr e d u c e de f f e c t i v e l yb yf u s i n gd i f f e r e n ts o l v e dm e t h o d si n t oo n e , s u c ha sr e p l a c i n gs u b t r a c t e rw i t hc o m p l e m e n t a r y - c o d ea d d e rd e s i g n e d , e x t e n d i n gt h er e s u l t b i t so ft h ei n t e g e ro p e r a t i o na n dn o r m a l i z i n gd i f f e r e n tt y p e so fd a t ai ni n t e g e r g r a p h i ci n p u t o fq a a r t u si ia n dv e r i l o gh d ll a n g u a g ea g ec o m b i n e dt o d e s i g nt h ep i dc o n t r o l l e r m o d e l s i ms i m u l a t i o nv a l i d a t e st h a tt h er e s u l to fp i dc o n t r o l l e rd e s i g n e do nf p g ai sc o r r e c t s y n p l i f yp r oi su s e dt os y n t h e t i z et h ed e s i g na n df p g ap r o g r a m m i n gf i l e i sm a d ea f t e r p l a c i n ga n dr o u t i n gt h ed e s i g ni nq a a r t u si i a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls y s t e m ， a1 2 - b i ta dc i r c u i t , d a t ad i s p l a y ，k e y b o a r da n do t h e rr e l a t i n gp e r i p h e r a l sa g ed e s i g n e d a i m i n ga tt h ec o n t r o l l i n go b j e c to ff u r n a c et e m p e r n t u r ew i t hf a s t - o r d e r , p u r el a ga n d g r e a ti n e r t i a , ap i dc o n t r o ls y s t e mi sf o r m e dw i t l ie p l c 3 t 1 4 4a st h ec o n t r o lk e r n e l u n d e r t h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n tw i t hp t l 0 0a st h et e m p e r a t u r e3 e n s o lt h er e s o l u t i o no f2 c e l s i u sd e g r e ea n dt h ec o n t r o lr a n g ei n0 4 0 0c e l s i u sd e g r e e 、t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st l i a t t h ep i do u t p u to b t a i n st h er e s u l to fn o n o v e r s h o o ta n ds t a b i l i z a t i o n ，a n da ne f f e c t i v ew a yi s p r o v i d e dt ol o w e rt h ed e s i g nd i f f i e n l t yo f p i dc o n t r o l l e ro nf p g a k e yw o r d s ：f p g a ；v e r i l o gh d l ；p i da l g o r i t h m ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 劾d 8 j g 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连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“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向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。本人授权大连理 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：垒望星 翩签名：奎迫 墨! 亟年l 月显一日 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 选题背景及意义 嵌入式系统，顾名思义，指的是嵌入到系统内部的计算机系统，是面向特定应用设 计的专用计算机系统。早期的嵌入式系统一般是以通用处理器或单片机为核心，在外围 电路中加入存储器、功率驱动器、通信接口、显示接口、人机输入接口等外围接口，再 加上应用软件，有些还加上了嵌入式操作系统，从而构成完整的系统。 随着徼电子技术的进步，s o c 已经在很多应用中取代了传统的以单片机为中心的架 构，将很多外设和存储器集成到一个芯片中，使系统的功耗和体积越来越小，而功能越 来越强。现在的m c u 和d s p 的功能已经非常强，但处理能力毕竟还是有限。厂商在推 出一款器件的时候，其性能就已经固定了。当某一款产品的性能无法满足要求时，就必 须选用新的处理器，常常意味着重新进行p c b 的设计，重新进行各项软硬件的验证测 试，所导致的工程资源的浪费是惊人的【1 l 。并且，以m c u 为主的嵌入式系统存在纯技 术和直接与m c u 本身相关的两类问题，主要包括以下几个方面i 印l ： ( 1 ) 低速。由于m c u 的工作方式是通过内部的c p u 逐条执行软件指令来完成各种 运算和逻辑功能的，在排队式串行指令执行方式( 包括d s p 也不例外) 面前，其工作速 度和效率缺乏优势。因此，m c u 在实时仿真、高速工控或高速数据采集等领域便显得 力不从心。 ( 2 ) 复位工作方式。任何m c u 在工作初始都必须经过一个复位过程，否则将无法 进行正常工作。m c u 的复位必须满足一定的电平条件和时间条件( 长达毫秒级) 。在工 作电平有某种干扰性突变时，m c i j 不可或缺的复位设置将成为系统不可靠工作的重要 因素。而且这种产生于复位的不完全性而构成的系统不可靠工作的隐患，其出现方式极 为随机和动态，一般方法难于检测。 ( 3 ) p c 的跑飞。在强干扰或某种偶然因素下，任何m c u 的f c 都极可能越出正常 的程序流程而跑飞已是不争的事实。事实证明，在强干扰条件下，特别是强电磁干扰， m c u 都无法保证其仍能正常工作而不进入不可挽回的“死机”状态。特别是当p c 跑飞 与复位不可靠因素相交错时，情况将变得尤为复杂。 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) ，与m c u 器件相比， f p g a 优势归纳如下； ( 1 ) 编程方式先进。f p g a 越来越多的采用先进的j t a g - i s p ( 在系统编程) 和 i c r ( 在线路重配置) 技术。这种先迸的编程方式已成为当今世界上各类可编程器件发展 基于f f g a 的p i d 控制器研究与实现 的趋势。因为它省却了价格昂贵、操作不变的专用编程器，只需要一个十分简单的下载 编程电路和一条p c 机的打印通讯线就可以了。 ( 2 ) 高速。f p g a 的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速领域和 实时测控领域方面有非常广阔的应用前景。 ( 3 ) 高可靠性。在高可靠领域，m c u 的缺憾为f p g a 的应用留下了很大的用武之 地。除了不存在m c u 所特有的复位不可靠与p c 可能跑飞等固有缺陷之外，f p g a 的 高可靠性还可以表现在几乎可将整个系统放入同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于 管理和屏蔽。 ( 4 ) 开发工具和设计语言标准化。f p g a 的设计开发通过符合国际标准的硬件描述 语言( v h d l 或者v e r i l o gh d l ) 来进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用 性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的f p g a 硬件结构没有关系，所以设计 成功的各类逻辑功能块软件有很好地兼容性和可移植性，它几乎可以用于任何型号的 f p g a 。 ( 5 ) 功能强大，应用广阔。目前，f p g a 可供选择范围很大，可根据不同的应用选 用不同容量的芯片。利用它们可以实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。 f p g a 基本上可以完成任何数字器件的功能，从高性能c p u 到简单集成电路，均可 用f p g a 实现。通过传统的原理图输入或硬件语言的描述就可以自由地设计具有某种功 能的数字系统，减少了电子系统的开发风险和开发成本，缩短上市时间，通过在系统编 程、远程在线重构等技术降低维护升级成本，在通信、音视频处理、自动控制、航空、 数据计算等领域得到了广泛应用。 1 2p i d 控制器的发展动态及现状 过程控制中应用最为广泛的控制策略是p i d 控制。p i d 控制技术的发展可以分为两 大阶段1 4 1 。第一阶段为发明阶段( 1 9 0 0 1 9 4 0 ) ，p i d 控制思想逐渐明确，此时主要采用气 动控制器，仪表工业的重心放在实际p i d 控制器的结构设计上。第二阶段为革新阶段 ( 1 9 4 0 以后) ，在革新阶段，p i d 控制器已经发展成为一种鲁棒的、可靠的、易于应用的 控制器。 现阶段p i d 的实现一般有两种方法：一种是以存储器和处理器为基础，基于软件方 法实现的p i d 控制器。存储器用于存储程序，处理器取指，译码，执行指令。随着系统 规模和复杂性的增加，a s i c 逐渐被采用1 5 j 。在嵌入式测控系统中，先进控制方法以硬 件技术应用于片上系统为嵌入式控制领域的热点课题，f p g a 的出现也逐渐成为p i d 控 制器实现的一种选择。尤其是f p g a 器件现在有越来越多的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知 一2 大连理工大学硕士学位论文 识产权) 核心库的支持，用户可以利用这些预定义和预测试的软件模块在f p g a 内迅速 实现系统功能。i p 核包括从复杂数字信号处理算法、存储器、控制器，到总线接口和成 熟的软件微处理器等在内的一切模块。因此，f p g a 技术的发展为片上可编程系统s o p c 的实现提供了物质基础。基于f p g a 的p i d 控制器既可以作为单独的控制器芯片模块， 作为整个控制系统的控制单元模块，又可以将其嵌入到片上可编程系统中，成为s o p c 的一个口核，或者作为a s i c 的前期验证。 1 3f p g a 的现状及发展趋势 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 。p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一 种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。早期的可编程逻辑器件只有可 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 和电可擦除存储器e e p r o m 三种，由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一种结构上 稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件p l d ，能完成各种逻辑数字功能。这一阶段的 产品主要有p a l ( p r o g r a ma r r a yl o g i c ，可编程阵列逻辑) 和g a l ( o e n e r i ca r r a yl o g i c ， 通用阵列逻辑) 。早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能， 但过于简单的结构也只能完成规模较小的电路【6 l 。可擦除的e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 的基本逻辑结构是宏单元，由可编程的与 或阵列、可编程寄存器和可编程啪三部分组成。由于e p l d 特有的宏单元结构、大量 增加的输出宏单元数和大的与阵列，使一块芯片内能够更灵活地实现较多的逻辑功能。 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 结构的扩展型 c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) 和与标准门阵列类似的f i g a ，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，可以实现较大规模的电路，编程灵活，与门阵列等其它a s i c 相比， 又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，因此被广泛地用于产 品的原型设计和产品生产之中。 随着深亚微米技术的进步，f p g a 趋势发展包括四个方面 6 - s l ：( 1 ) 大容量、低电压、 低功耗f p g a ；( 2 ) 系统级高密度f p g a ；( 3 ) f p g a 出现与a s i c 相互融合；( 4 ) 动态可 重构f p g a 。 1 4f p g a 的应用领域及研究状况 r g a 不断以其可编程性及灵活性向更多领域渗透，在数据采集、控制领域、数字 信号处理、无线通信、消费类电子、车用电子、医疗、军事等都有大量应用，覆盖从低 成本应用到复杂的开发平台设计。在数据采集领域，f p g a 主要用于高速数据采集系统； 基丁f p g a 的p i d 控制器研究与实现 在信号处理方面，f p g a 主要应用于视频采集压缩、高阶高速f i r 滤波器、雷达图象采 集等；在医疗领域，f p g a 在医疗设备如心电检测设备、超声设备和电子内窥镜中都有 应用；在无线领域，f p g a 技术已应用于t e t r a 无线终端；在控制领域，即g a 已应 用于微型攀爬机器人、直流电机调速控制器和工业运动控制器；或者将将f p g a 技术与 d s p 技术相结合，充分利用d s p 的适合于数字运算的特点和f p g a 高集成度，实现对 高速信号的实时采样和实时视频处理【皿捌。 f p g a 在s o c s o p c 出现了新的应用。s o c 是s y s t e mo i lc h i p 的简称，译为“系统 集成芯片，其中包含完整系统并有嵌入式软件的全部内容。s o p c 是s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ，即可编程片上系统，是基于f p g a 的s o c 策略。相比于s o c 设计， s o p c 既有嵌入的处理器、支持电路，也有p l d ；嵌入的处理器可以是软核，也可以是 硬核；用户根据应用选择配置处理器和各种i o 模块，还可以在系统中加入拥护自定义 的逻辑模块，构建定制的系统。 1 5 论文结构 论文共分为五个部分。 第1 章：概述。介绍选题的背景，分析p i d 控制器的发展动态及现状，以及f p g a 的现状、发展趋势以及应用领域，最后介绍一下本文研究的主要内容和方法。 第2 章：f p g a 的开发基础。主要介绍f p g a 的开发基础知识，包括f p g a 的结构 和特性分析以及开发流程、开发工具。 第3 章：p i d 控制的f p g a 实现。详细描述了p i d 控制算法和模糊p i d 算法的f p g a 具体实现，并用m o d c l s i m 对设计做了仿真，验证了设计的正确性。 第4 章：p i d 控制系统组成。以e p l c 3 t 1 4 4 为核心，p t l 0 0 热电阻和温度变送器构 成输入电路，以a d c 0 8 0 9 以及m a x l 9 7 为a d 转换器件，以p w m 方式输出控制电阻 炉温。 第5 章：仿真与测试结果分析。对控制系统迸行了仿真和测试，对控制结果进行了 一定分析。 最后对本文的工作内容和方法作一个总结，并对以后的工作提出展望。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 f p g a 开发基础 2 1f p g a 的结构和特性 2 1 1 f p g a 基本结构 f p g a 发展非常迅速，形成了各种不同的结构。按逻辑功能块的大小，f p g a 可分 为细粒度f p g a 和粗粒度f p g a 。细粒度f p g a 的逻辑功能块小，资源可以充分利用， 但连线和开关多，速度慢；粗粒度f p g a 的逻辑功能块规模大，功能强，但资源不能充 分利用。从逻辑功能块的结构上分类，可分为查找表的结构、多路开关结构和多级与非 门结构。根据即c 渔内部连线的结构不同，可以分为分段互联型和连续互联型。根据编 程方式，f p g a 可分为一次编程和可重复编程两种l 矧。基于s r a l v l 查找表u j t 结构的 f p g a 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入l u t ，所以每一个u j l r 可以 看成一个有4 位地址线的1 6 x 1 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，f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写 入r a m ，这样，每一个信号进行逻辑运算时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，其原理如表2 1 所示俐。 表2 1l u t 原理 t a b 2 1p r i n c i p l eo fl u t 实际逻辑电路l u t 的实现方式 ；量三i 呈爿) - 岩 d 匕= 一一厂 a b c d a l t e r a 公司的产品f l e x a c - = e x 等芯片的结构如图2 1 所示。主要包括l a b ( l o g i c a r r a yb l o c k ，逻辑阵列块) ，i o e ( i n p u t o u t p u te l e m e n t ，输入输出单元) ，r a m 块( 未表 示出) 和可编程行列连线。在f l e x a c e x 中，一个l a b 包括8 个l e ( i o 垂ce l e m e n t ， 基于f p g a 的p i d 控制器研究与实现 逻辑单元) 。每个l e 包括一个l u t ，一个触发器和相关的相关逻辑。 图2 1a l t e r af p g a 内部结构 f i g 2 1 i n t e r n a ls t r u c t u r eo f a l t e r af p g a l e 是f l e x a c e x 芯片实现逻辑的最基本结构，其内部结构如图2 2 所示。触发器 的时钟( c l o c k s e l e c t ) 、清除置位等控制信号可由全局信号、引出端或任何内部逻辑 驱动。对于组合逻辑，可将该触发器旁路，由l u t 的输出直接驱动l e 的输出。 2 1 2 主流f p g a 产品及开发工具 经过十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。目前市面上较常见 的f p g a 为a l t e r a 和x i l i n x 公司的产品系列。通常来说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在日 本和亚太地区则用a l t e r a 的多，在美国则平分秋色。 a l t e r a 公司是最大的可编程逻辑器件供应商之一。a l t e r a 的主流f p g a 分为两大类， 一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如c y c l o n e ，c y c l o n e 1 i ：还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如s t r a t i x ，s t r a t i x i i 等。a l t e r a 公司相应的集成开发软件为m a x p l u si i 和q u a r t u si i 。m a x p l u s 被认为曾 经是最优秀的p l d 开发平台，适合开发早期的中小规模的p l d f p g a ，目前已经由 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 q u a r t u si i 替代，提供从设计输入、设计编译、功能仿真、设计处理、时序仿真到器件编 程的全部功能。q n a r t u si i 适合新器件和大规模的f p g a 器件开发，在高密度f p g a 设 计中能够实现最佳性能。2 0 0 7 年己推出7 1 最新版本。 d d 赡 d a t a 2 d a ；稿 a a l a 4 聊棚c _ - o “ 图2 2 逻辑单元( l e ) 内部结构 f i g 2 2 i n t e r n a ls t r u c t u r eo fl e x i l i n x 为f p g a 的发明者，是最大的可编程逻辑器件供应商之一。与a l t e r a 相似， x i l i n x 的主流f p g a 也分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一 般的逻辑设计要求，如s p a r t a n 系列：还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满 足各类高端应用，如v i r t e x 系列瞄】。x i l i n x 公司相应的集成开发软件为f o u n d a t i o n 和i s e 。 i s e 提供业界最完整的可编程逻辑设计解决方案，2 0 0 7 年已推出最新版本i s e9 1 。 2 0 0 6 年5 月和1 0 月，x i l i n x 公司相继推出6 5 n m f p g a v i r t e x - 5 l x 和v i r t e x - 5 l x t ， 并于2 0 0 r 7 年5 月实现量产。与9 0 n mf p g a 相比，v i r t e x - 5 速度平均提高3 0 ，容量增 加6 5 ，同时动态功耗降低3 5 ，静态功耗保持同样低，使用面积减小4 5 。v i r t e x 5l x t 和s x t 平台提供了内建的p c i e x p r e s s 端点和千兆以太网模块，并具有在成本和易用性 方面的领先的高速串行i o 设计方案支持。同时，s x t 平台还提供了较高的d s p 性能， 以及强大的v i r t e x - 5 串行加解决方案。 2 0 0 7 年a l t e r a 发布了s t r a t i x i i i 系列f p g a ，该系列具有高密度、高性能与最低的功 耗，采用了t s m c 的6 5 n m 工艺技术，其突破性创新包括硬件体系结构提升和q u a r t u s i i 软件改进，与前一代s t r a t i x i i 相比，这些新特性使功耗降低了5 0 ，性能提高了2 5 ， 裟妻l 黧 基于f f g a 的p i d 控制器研究与实现 密度是其两倍。与业界其它f p g a 相比，s t r a t i x i i l 系列具有更大的存储器逻辑比，以及 更好的d s p 性能。 2 1 3f p g a 与c p l d 及a s i c 的比较 c p l d 主要是由可编程逻辑宏单元( l m c ，l o g i c m a c r oc e l l ) 围绕中心的可编程互连 矩阵单元组成，其中l m c 逻辑结构较复杂，并具有复杂的f o 单元互连结构，可由用 户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于c p l d 内部采用固定长度的金 属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连 结构时序不完全预测的缺点。到9 0 年代，c p l d 发展更为迅速，不仅具有电擦除特性， 而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有x i l i n x 公司的e p l d 和a l t e r a 公司的c p l d 。 f p g a 与c p l d 都是可编程逻辑器件，是在队l 、g a l 等逻辑器件的基础之上发 展起来。同以往的p a l 、g a l 相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，可以替代几十甚至 几千块通用i c 芯片。但由于f p g a 与c p l d 结构上的差异，具有各自的特麒捌： ( 1 ) c p l d 更适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑。换句 话说，f p g a 更适合于触发器丰富的结构，而c p l d 更适合于触发器有限而乘积项丰富 的结构； ( 2 ) c p l d 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可以预测的，而f p g a 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性； ( 3 ) 在编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性。c p l d 通过修改具有固定内连电 路的逻辑功能来编程，f p g a 主要通过改变内部连线的布线来编程；f p g a 可在逻辑门 下编程，而c p l d 是在逻辑块下编程； ( 4 ) f p g a 的集成度比c p l d 高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现； ( 5 ) c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l d 的编程采用e 2 p r o m 或f a s tf l a s h 技 术，无需外部存储器芯片，而f p g a 的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂； ( 6 ) c p l d 的速度比f p g a 快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于f p g a 是 门级编程，并且c l b 之间采用分布式互联，而c p l d 是逻辑块级编程，并且其逻辑块 之间的互联是集总式的； ( 7 ) 在编程方式上，c p l d 主要是基于e e p r o m 或f l a s h 存储器编程，编程次数 可达1 万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。c p l d 又可分为在编程器上编程和 在系统编程两类。f p g a 大部分是基于s r a m 编程，编程信息在系统断电时丢失，每次 上电时，需从器件外部将编程数据重新写入s r a m 中。其优点是可以编程任意次，可 大连理工大学硕士学位论文 在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置； ( 8 ) c p l d 保密性好，f p g a 保密性差： ( 9 ) 一般情况下，c p l d 的功耗要比f p g a 大，且集成度越高越明显。 而a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 为全定制专用集成电路，与f p g a 相 比各也各自具有自己的优缺点，在此做一个定性比较i 明。 表2 2f l e a 与 s i c 对比 t a b 2 2 c o m p a r i s o nb e t w e e nf p g aa n da s i c 表2 2 的比较是根据一般情况确定的。结论并不是绝对的，例如单片成本应该根据 具体项目进行计算才能得到正确的结论。f p g a 最本质的特性是可编程性和设计周期短 的优势，而这正是a s i c 的弱点。两者在价格上的比较要考虑多种因素，但趋势也是向 有利于f p g a 的方向发展。f p g a 厂商提供了很好的设计环境，例如a l t c r a 提供的o u a r t u s i i 软件几乎包括了所有的e d a 工具。使用f p g a ，不用和i c 厂家联系，没有流片费用， 可以很快上市，没有库存问题，并可以现场升级产品。在下属场合一般采用a s i c ： ( 1 ) 门和存储位的数量超过1 千万； ( 2 ) 千兆位连接数量较多； “ ( 3 ) 在最低功耗下，主时钟频率高于3 0 0 m i - l z 。 对比可见，从成本、开发难易程度、功耗等常见因素考虑，基于纯硬件控制方式实 现控制器( 时序和运算均比较多) ，选择f p g a 作为开发元件是一个相对好的方案选择。 2 2 开发流程 f p g a 开发流程主要包括电路设计与输入、功能仿真、逻辑综合、前仿真、布局布 线以及时序仿真( 又称为后仿真) 等主要步骤，每一步骤都有相应的开发工具。f p g a 的 开发流程如图2 3 所示。 整体设计采用“自顶向下”的设计方法。“自顶向下”( t o p d o w n ) 即从系统级设计 入手，把系统划分为若干个基本单元，然后把每个基本单元划分为下一层次的基本单元， 如此类推，直到可以直接用e d a 元件库中的基本单元来实现为止。“t o p d o w n ”设计 方法有利于在早期发现产品结构设计中的错误，提高设计的一次成功率，在e d a 技术 中广泛采用。图2 4 为自顶向下( t o p d o w n ) 的示意副勰l 。 基于f p g a 的p i d 控制器研究与实现 图2 3f p o a 开发流程 f i g 2 3d e v e l o p m e n tf l o w c h a r to ff p g a 图2 4t o p - d o w n 设计思想 f i g 2 4t o p - d o w nd e s i g ni d e a f p g a 的开发流程包括以下主要步骤及其使用的工具： ( 1 ) 设计输入。设计输入主要有两种方法：图形输入、硬件描述语言输入。图形输 大连理工大学硕士学位论文 入一般用于最顶层设计。硬件描述语言又包括v h d l 、v e f i l o gh d l 以及a h d l ( 舢t e r a 公司) 等。v e f i l o g 和v h d l 都是用于逻辑设计的硬件描述语言，并且都成为i e e e 标准。 它们的共同特点在于： 能形式化地抽象表示电路的行为和结构； 支持逻辑设计中层次与范围描述； 可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述； 具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性； 支持电路描述由高层到低层的综合转换； 硬件描述与实现工艺无关( 有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去) ； 便于文档管理； 易于理解和设计重用。 但是v e r i l o g 和v h d l 又各有其特点。由于v e d l o g h d l 早在1 9 8 3 年已推出，至今 已有2 0 年的应用历史，因而v e m o gh d l 拥有更广泛的设计群体，成熟的资源也远比 v h d l 丰富。与v h d l 相比，v e d l o gh d l 的最大优点为：它是一种非常容易掌握的硬 件描述语言，只要有c 语言的编程基础，通过2 0 学时的学习，再经过一段时间的实际 操作，一般可在2 个月内掌握这种设计技术。而掌握v h d l 设计技术就比较困难。 这是因为v h d l 不直观，一般认为至少需要半年以上的专业培训，才能掌握v h d l 的 基本设计技术。从目前的应用来看，在美国，高层数字系统设计领域中，应用v c t i l o gh d l 和v h d l 的比率是8 0 和2 0 ；日本和我国台湾省与美国相同；而在欧洲v h d l 发展 得比较好。v e f i l o gh d l 较为适合系统级、算法级、寄存器传输级r t l 、逻辑级、门级 和电路开关级的设计，而对于千万门级以上的特大型系统级设计，则v h d l 更为适合。 v e f i l o gh d l 语言的描述风格主要有三种：采用数学模型描述的行为描述，大部分 只能用于系统仿真，少数的也可以进行逻辑综合；数据流即寄存器传输描述；结构描述 即逻辑元件描述。后两者均可以进行逻辑综合。 ( 2 ) 功能仿真。功能仿真将文件调入h d l 仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能 是否正确。常用的仿真软件有集成开发环境自带的波形仿真软件或者使用第三方的专用 仿真软件如m o d c l s i m 等。m o d e l s i m 是m o d e lt e c l l i l o l o g y ( m e n t o rg r a p h i c s 的子公司) 的 h d l 硬件描述语言仿真软件，可以实现v h d l 、v e d l o g 以及v h d l v e “l o g 混合设计 的仿真，是仿真业界应用最广泛的产品。并且m o d e l s i m 具有强大的交互d e b u g 功能、 衰减测试支持和高内存利用效率功能，为仿真设计提供了广阔的范围。除此之外， m o d e l s i m 还能够与c 语言一起对h d l 文件实现协同仿真。同时，相对于大多数h d l 仿真软件来说，m o d e l s i m 在仿真速度及稳定性上有明显优势。这些特点使m o d e l s i m 越 基于f p g a 的p i d 控制器研究与实现 来越为e d a 设计者、尤其是f p g a 设计者的青睐。 ( 3 ) 逻辑综合。逻辑综合将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最 简的布尔表达式和信号的连接关系，是f p g a 设计流程中的重要环节，综合结果的优劣 直接影响布局布线结果的最终效能。好的综合器能够使设计占用芯片的物理面积小，工 作频率高，这也是评定综合器优劣的两个重要指标。逻辑综合软件会生成e d f 的e d a 工业标准文件。s y n p l i f yp r o 综合工具是目前倍受推崇的f p g a 综合工具之一。s y n p l i f y p