fpga器件的开发平台与maab接口仿真

1、FPGA 器件的开发平台与 MATLAB 接口仿真/、引言现场可编程逻辑门阵列 FPGA 器件的出现是超大规模集成电路技术 和计算机辅助设计技术发展的结果。 FPGA 器件集成度高、体积小， 具有通过用户编程实现专门应用功能。它允许电路设计者利用基于 计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到 预期的结果。目前使用最多的 Quartus II 软件支持几乎所有的 EDA 工具，并且可以通过命令行或 Tcl 脚本与第三方 EDA 工具之间进行 无缝连接。但在很多工程设计应用中，由 FPGA 器件完成的主程序 中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制输出的信号可视性 差，给设计人

2、员进行仿真、调试带来了很多不便。对于很多工程设 计人员来说 MATLAB 是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿 真、分析功能的软件，如果能将 FPGA 与 MATLAB 接口，就可以快 速、准确、直观地对 FPGA 程序进行校验和仿真，尤其在波形信号处理等工程应用领域具有实际意义。Quartus II开发软件Altera公司的Quartusll软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计 的一个综合开发环境。Quartus II开发工具人机界面友好、易于使用、 性能优良，并自带编译、仿真功能。Quartusll软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集

3、成系统级设计工具。Quartusll软件可以将设计、综合、布局和布线 以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中也包括和 第三方EDA工具的接口。Quartusll设计软件根据设计者需要提供了 一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。图1说明了 Quartusll软件的开发流程。设计IS人 在实际应用设计中，对程序原理性及可执行性的验证主要集中在程r厶灯（.布局.布线序修改阶段，尤其在处理的数据复杂、繁多时， Quartus II 自带的波 形输入仿真就很难实现程序的验证，而且输出的数据不能方便的以 波形图示直观的呈现，给程序设计者在校验程序阶段带来了

4、很多的 不便。再有，在很多数字电路设计中，考虑成本的问题， FPGA 实 现的往往是设计的核心部分， 而很多的外围电路如 A/D 转换器、 D/A 转换器等仍然使用传统的接口芯片来实现。 而 QuartusII 设计只是针 对数字信号，并不支持模拟量的输入。而仅仅为了便于程序的验证 而用 FPGA 实现这些外围电路，不但会大大延长程序的开发周期， 更会增大开发的成本。而 MATLAB 具有强大的运算功能，可以容易 的实现 A/D、D/A 转换等外围电路功能， 并能以波形形式将结果直观 地呈现，极大地方便了程序设计人员设计应用系统。QuartusII 与 Matlab 的接口实现接口原理VHDL

5、 程序从根本上讲就是将一些现有的数据进行处理， 并输出预期 的数据。 QuartusII 软件的波形文件（ .vwf 文件）可以根据设计人员 的要求灵活输入。但在大多数情况下需要仿真的波形数据数量庞大，这样的输入方式就明显不能满足仿真的要求了。而上述提到的一些 外围电路的作用也是将需要处理的数据输入到程序中，并将处理过 的数据输出到指定的装置。根据这一原理，用一个输入、输出寄存 器就可以方便的实现与 MATLAB之间的接口了。Quartusll工具中提 供了很多种类的寄存器宏模块，并能根据用户的要求进行编辑。使 用这些宏模块可以很容易地实现与 MATLAB之间的接口。下面就是 几种RAM宏模块

6、：衰 1例1惠*块名摆功軽苗述茅截化馆菇井衣取常门FTAM參暫化眾逢口 RAM忤PE嵋峯歓比RAhA癥入/输出第口井高mp-rom-ic秦嶽牝RAM-治入綸出共码一卒誤口接口的实现数据的输入很多FPGA程序在仿真时，需要输入特定条件下的数值。程序设计 时，可以在输入端口前加一个预置的存储器，那么初始数据的输入 就变成了该寄存器的初始化。一般情况下，这些初始数据很容易用 MATLAB软件经过计算实现。Quartusll中提供了两种寄存器的初始 文件格式，.mif文件和.hex文件。由MATLAB生成的数据可以方便的根据指定路径加载到寄存器模块中 数据的输出 数据输出和数据输入的原理是相同的。 将

7、寄存器中的 .mif 文件或 .hex 文件导出， 并加载到 MATLAB 中相应的变量中， MATLAB 的波形仿 真功能就可使设计人员方便直观地观察程序结果了，这样大大地方 便了设计人员在设计早期对程序进行校验。应用举例这里以一个简单的FFT谐波分析过程的设计为例，说明如何在FPGA 设计中灵活地应用 MATLAB 来完成设计的初步仿真和验证。 FPGA 的快速运算虽然能更好的实现了 FFT，但大多数FFT设计并不能预 知处理对象的准确波形，而 QuartusII 更不能提供直观的结果观察。 为了验证设计的可行性，在设计时，在输入、输出端分别设置一个 数据存储器，数据存入的时序可以根据设计

8、的要求灵活控制，存储 需要的数据。需要注意的一点就是，对于大量数据的波形验证，存 储器的加入会使设计的资源变大，初步验证时需使用比预计的容量 大的器件。在程序的初步验证之后，就可以在预定的器件中进行编译配置，然后进行进一步的调试。程序设计如图2所示，程序设计大致分为四个模块，主程序模块、输入存储 器、输出存储器以及控制模块。主程序模块是FFT的设计程序，来完成预期的数据处理，而输入、输出存储器则为与Matlab的接口程序，控制模块则控制数据的输入、输出，也即是接口模块的控制。接口的设计假设设计时的A/D接口采样频率为50kHz，即一个周期内的采样点 数为1000点。在MATLAB中可以很容易的

9、实现公式（1）所示的信号 的A/D采样。根据采样要求，就可以确定输入存储器的容量为121000bit。将MATLAB中生成的目标向量以相应的二进制表示，并导入到该输入存储器中，就完成了输入存储器的初始化。所得的结果 输出原理亦同，在MATLAB中建立大小相当的向量，将输出存储器 中的数据导入到该向量就可以直观的形式观察输出的结果。那么设 计中的关键问题主要就集中在了控制模块的设计。该模块的时序必须与外围电路时序、主程序中的时序相匹配，以达到逼真模拟真实A/D等外围电路的作用。结果仿真任意取两个不同的输入信号如下:+ pi/4）斗5ird,2=3$讪3刖）+ ctM（7ird按照上述的程序设计流程，可以由 FPGA快速计算得到任意波形的FFT处理结果，并以直观的结果方便程序设计人员的初步程序调试。结论FPGA器件的最大的优势就是具有更