FPGA器件与MATLAB接口仿真过程

1、FPGA器器件的开开发平台台与MAATLAAB接口口仿真引言 现场场可编程程逻辑门门阵列FFPGAA器件的的出现是是超大规规模集成成电路技技术和计计算机辅辅助设计计技术发发展的结结果。FFPGAA器件集集成度高高、体积积小，具具有通过过用户编编程实现现专门应应用功能能。它允允许电路路设计者者利用基基于计算算机的开开发平台台，经过过设计输输入、仿仿真、测测试和校校验，直直到达到到预期的的结果。目目前使用用最多的的Quaartuus III 软软件支持持几乎所所有的EEDA工工具，并并且可以以通过命命令行或或Tcll脚本与与第三方方EDAA工具之之间进行行无缝连连接。但但在很多多工程设设计应用用中

2、，由由FPGGA器件件完成的的主程序序中只完完成大量量的数学学运算，程程序调试试时以二二进制输输出的信信号可视视性差，给给设计人人员进行行仿真、调调试带来来了很多多不便。对对于很多多工程设设计人员员来说MMATLLAB是是一种熟熟悉的具具有强大大的运算算功能和和波形仿仿真、分分析功能能的软件件，如果果能将FFPGAA与MAATLAAB接口口，就可可以快速速、准确确、直观观地对FFPGAA程序进进行校验验和仿真真，尤其其在波形形信号处处理等工工程应用用领域具具有实际际意义。Quarttus II 开发软软件Alterra公司司的QuuarttusIII软件件提供了了可编程程片上系系统（SSOPC

3、C）设计计的一个个综合开开发环境境。Quuarttus II 开发工工具人机机界面友友好、易易于使用用、性能能优良，并并自带编编译、仿仿真功能能。QuuarttusIII软件件支持VVHDLL和Veerillog硬硬件描述述语言的的设计输输入、基基于图形形的设计计输入方方式以及及集成系系统级设设计工具具。QuuarttusIII软件件可以将将设计、综综合、布布局和布布线以及及系统的的验证全全部都整整合到一一个无缝缝的环境境之中，其其中也包包括和第第三方EEDA工工具的接接口。QQuarrtussII设设计软件件根据设设计者需需要提供供了一个个完整的的多平台台开发环环境，它它包含整整个FPPGA

4、和和CPLLD设计计阶段的的解决方方案。图图1说明明了QuuarttusIII软件件的开发发流程。在实际应用用设计中中，对程程序原理理性及可可执行性性的验证证主要集集中在程程序修改改阶段，尤尤其在处处理的数数据复杂杂、繁多多时，QQuarrtuss III自带的的波形输输入仿真真就很难难实现程程序的验验证，而而且输出出的数据据不能方方便的以以波形图图示直观观的呈现现，给程程序设计计者在校校验程序序阶段带带来了很很多的不不便。再再有，在在很多数数字电路路设计中中，考虑虑成本的的问题，FFPGAA实现的的往往是是设计的的核心部部分，而而很多的的外围电电路如AA/D转转换器、DD/A转转换器等等仍然

5、使使用传统统的接口口芯片来来实现。而而QuaartuusIII 设计计只是针针对数字字信号，并并不支持持模拟量量的输入入。而仅仅仅为了了便于程程序的验验证而用用FPGGA实现现这些外外围电路路，不但但会大大大延长程程序的开开发周期期，更会会增大开开发的成成本。而而MATTLABB具有强强大的运运算功能能，可以以容易的的实现AA/D、DD/A转转换等外外围电路路功能，并并能以波波形形式式将结果果直观地地呈现，极极大地方方便了程程序设计计人员设设计应用用系统。 QuarttusIII与MMatllab的的接口实实现接口原理VHDL程程序从根根本上讲讲就是将将一些现现有的数数据进行行处理，并并输出预

6、预期的数数据。QQuarrtussII 软件的的波形文文件（.vwff文件）可可以根据据设计人人员的要要求灵活活输入。但但在大多多数情况况下需要要仿真的的波形数数据数量量庞大，这这样的输输入方式式就明显显不能满满足仿真真的要求求了。而而上述提提到的一一些外围围电路的的作用也也是将需需要处理理的数据据输入到到程序中中，并将将处理过过的数据据输出到到指定的的装置。根根据这一一原理，用用一个输输入、输输出寄存存器就可可以方便便的实现现与MAATLAAB之间间的接口口了。QQuarrtussII工工具中提提供了很很多种类类的寄存存器宏模模块，并并能根据据用户的的要求进进行编辑辑。使用用这些宏宏模块可可

7、以很容容易地实实现与MMATLLAB之之间的接接口。下下面就是是几种RRAM宏宏模块：接口的实现现 数据的输入入很多FPGGA程序序在仿真真时，需需要输入入特定条条件下的的数值。程程序设计计时，可可以在输输入端口口前加一一个预置置的存储储器，那那么初始始数据的的输入就就变成了了该寄存存器的初初始化。一一般情况况下，这这些初始始数据很很容易用用MATTLABB软件经经过计算算实现。QQuarrtussII中中提供了了两种寄寄存器的的初始文文件格式式，.mmif文文件和.hexx文件。由由MATTLABB生成的的数据可可以方便便的根据据指定路路径加载载到寄存存器模块块中。数据的输出出数据输出和和数

8、据输输入的原原理是相相同的。将将寄存器器中的.miff文件或或.heex文件件导出，并并加载到到MATTLABB中相应应的变量量中，MMATLLAB的的波形仿仿真功能能就可使使设计人人员方便便直观地地观察程程序结果果了，这这样大大大地方便便了设计计人员在在设计早早期对程程序进行行校验。 应用举例这里以一个个简单的的FFTT谐波分分析过程程的设计计为例，说说明如何何在FPPGA设设计中灵灵活地应应用MAATLAAB来完完成设计计的初步步仿真和和验证。FFPGAA的快速速运算虽虽然能更更好的实实现了FFFT，但但大多数数FFTT设计并并不能预预知处理理对象的的准确波波形，而而QuaartuusII

9、I更不能能提供直直观的结结果观察察。为了了验证设设计的可可行性，在在设计时时，在输输入、输输出端分分别设置置一个数数据存储储器，数数据存入入的时序序可以根根据设计计的要求求灵活控控制，存存储需要要的数据据。需要要注意的的一点就就是，对对于大量量数据的的波形验验证，存存储器的的加入会会使设计计的资源源变大，初初步验证证时需使使用比预预计的容容量大的的器件。在在程序的的初步验验证之后后，就可可以在预预定的器器件中进进行编译译配置，然然后进行行进一步步的调试试。 程程序设计计如图2所示示，程序序设计大大致分为为四个模模块，主主程序模模块、输输入存储储器、输输出存储储器以及及控制模模块。主主程序模模块

10、是FFFT的的设计程程序，来来完成预预期的数数据处理理，而输输入、输输出存储储器则为为与Maatlaab的接接口程序序，控制制模块则则控制数数据的输输入、输输出，也也即是接接口模块块的控制制。接口的设计计 假设设计时时的A/D接口口采样频频率为550kHHz，即即一个周周期内的的采样点点数为110000点。在在MATTLABB中可以以很容易易的实现现公式(1)所所示的信信号的AA/D采采样。根根据采样样要求，就就可以确确定输入入存储器器的容量量为122 10000bbit。将将MATTLABB中生成成的目标标向量以以相应的的二进制制表示，并并导入到到该输入入存储器器中，就就完成了了输入存存储器

11、的的初始化化。所得得的结果果输出原原理亦同同，在MMATLLAB中中建立大大小相当当的向量量，将输输出存储储器中的的数据导导入到该该向量就就可以直直观的形形式观察察输出的的结果。那那么设计计中的关关键问题题主要就就集中在在了控制制模块的的设计。该该模块的的时序必必须与外外围电路路时序、主主程序中中的时序序相匹配配，以达达到逼真真模拟真真实A/D等外外围电路路的作用用。结果仿真 任意取两个个不同的的输入信信号如下下：按照上述的的程序设设计流程程，可以以由FPPGA快快速计算算得到任任意波形形的FFFT处理理结果，并并以直观观的结果果方便程程序设计计人员的的初步程程序调试试。结论FPGA器器件的最最大的优优势就是是具有更更快的速速度、更更灵活