??? 摘? 要： FPGA是一種高密度邏輯器件。與通用的MCU相比， FPGA具有并行數據處理特性。利用該特性，能夠實現對高速A/D的采樣控制；同樣， 使用FPGA對采樣數據進行頻譜分析，能夠達到比DSP芯片更高的數據處理速度。?
????關鍵詞： 采樣；MCU；FPGA
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??? 在計算機控制系統中，常常需要采集各種模擬量信號，并對它們進行模數轉換，將外部輸入的模擬信號轉換成數字信號，以便計算機進行加工處理。在很多情況下，計算機應用系統中常用普通MCU(如51系列單片機或控制型DSP)完成系統任務。由于MCU一般均采用指令處理結構，要想達到高的處理速度相當困難，一般速率不會超過MHz級。而FPGA具有高速并行處理的特性，采用FPGA控制數據采集可以達到很高的采樣速率。?
??? 數字信號處理的方式一般有兩種：一種是使用單片機或DSP等MCU，通過軟件編程實現；另外一種是利用專用邏輯電路或可編程邏輯器件實現。用軟件編程來實現，雖然有很大的靈活性，但受DSP或單片機性能及程序指令順序執行的限制，難以實現高速、大規模運算;而專用集成電路芯片或FPGA卻可以實現很高的運算速度，非常適合高速信號處理系統的應用。?
??? 鑒于此，可以采用FPGA來完成一個模擬信號的采集分析系統。現在用FPGA做信號處理使用的大多是比較高端的片子，價格都比較貴，像ALTERA的Stratix系列、XILINIX的Virtex系列等。考慮到成本，在本設計中嘗試使用ALTERA的低端FPGA來完成設計。?
??? 盡管ALTERA提供了很多關于數字信號處理的IPCORE，但使用是需要收費的，而且費用較高。通過自己編程實現信號處理可以節省大量的成本，本設計就是采用這一方法。?
1 器件選擇?
??? 采用的FPGA是ALTERA的EP1C6T144C8，EP1C6T144C8有144個引腳，最多可使用98個I/O口，支持JTAG調試，AS、PS下載，內有5 980個LES，總的RAM位數是92 160 bit，內嵌有兩個鎖相環，四個全局時鐘，內核電壓為1.5 V，輸出I/O口驅動電壓為3.3 V，支持LVDS、TTL、CMOS等電平傳輸。采用的配置芯片為EPCS1。這是一款低端的FPGA芯片，具有較高的性價比。?
??? A/D采樣芯片是TLC5510，這是一款高速A/D采樣芯片，它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A／D芯片，能提供的最大采樣率為20 MS/s。由于TLC5510采用了半閃速結構及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗。?
2 FPGA內部電路?
??? FPGA內部電路分為兩大模塊。?
??? (1)采樣控制：TLC5510的采樣控制引腳只有兩個，一個是時鐘端CLOCK，一個是輸出使能端
(低電有效)。根據TLC5510采樣控制的時序電路，芯片CLOCLK的下降沿采樣，經過2.5個周期的延遲后，得到采樣結果，這時如果使能端有效，則數據送到輸出端，所以控制起來比較簡單。但是要注意的是采樣時鐘和FFT時鐘之間的匹配。?
??? 根據TLC5510的采樣時序特點，在設計采樣控制模塊時可以只控制采樣時鐘，而輸出始終使能，就能夠完成采樣控制。?
??? 控制FPGA內部RAM的寫入時鐘，當完成一次采樣后，將TLC5510數據端的數據取走，這樣就完成了采樣到寫入的過程。?
??? 分頻模塊將時鐘分到和系統時序相適合的時鐘。采樣控制電路將采樣結果由八位變為十六位，存入RAM中。?
??? (2)FFT模塊：設計中的FFT模塊實現的是256點的定點FFT運算，采用基-2頻率抽選法，圖1為8位算法的流程示意圖，256點算法與其類似。?
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??? FFT模塊主要包括四個單元：蝶形變換單元，地址發生單元，RAM塊選擇單元（其中包括旋轉因子表），時鐘控制單元。圖2為整體電路結構。?
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??? ①蝶形變換單元：在蝶形變換電路中，最為核心的就是乘法器和加法器，可以通過對QUARTUS的宏單元的調用，實現乘法運算，也可以自己編寫乘法器，利用Verilog的for語句實現16×16無符號乘法器的部分原碼如下：?
??? always@(data1，data2)?
??? ? begin?
??? ? data_out=32′d0;//初始賦0?
????for(a=5′d0;a<=5′d15;a=a+5′d1)?
??????? if(data2[a]==1)?
??????? data_out=data_out+(data1< ??? ? end? ??? 蝶形變換的輸出寫入RAM作為下一級變換的輸入。? ??? 圖3為蝶形變換單元電路。? ? ? 圖3? 蝶形變換單元電路圖 ? ??? ②地址發生單元：這個單元的編寫具有一定的靈活性，在編程過程中采用的編寫方法不同，綜合出來的電路使用寄存器數量也不一樣。地址發生單元總共有八級地址。第二級地址發生單元的部分原碼如下（圖4為第二級地址發生單元仿真結果）：? ? ? ??? always@(posedge clk)? ??? begin? ? ? ??if(a3==1′d1)? ??????? begin? ??????? ? a3=1′d0；//參數a3控制RAM數據和旋轉因子表數據時序配合? ??????? ? case(a2)//地址分為兩大塊塊，分別為前后128個數，參數a2控制這兩塊的啟動? ??????? ? 1′d0:begin? ??????????? if(a1==8′d63)? ??????????? begin a1=8′d128；a2=a2+1′d1；addr1=a1；addr2=7′d0；end? ??????????? else? ??????????? ? begin a1=a1+8′d1；addr1=a1；addr2=addr2+7′d2；end? ??????????? end? ??????? ? 1′d1：begin? ??????????? if(a1==8′d191)? ??????????? ? begin a1=8′d0；a2=1′d0；addr1=8′d0；addr2=7′d0；end? ??????????? ? else? ??????????? ? begin a1=a1+8′d1；addr1=a1；addr2=addr2+7′d2；end? ??????? ??? end? ??????? ??endcase? ??? ? ? ??end? ??? else? ??? ? begin a3=a3+1′d1；addr1=addr1+8′d64；end? ??? end? ??? ③RAM塊選擇單元：FPGA上含有4KB RAM塊，可以使用三組RAM塊實現流水線(這里命名為RAM1，RAM2，RAM3）。時序開始時控制單元將采樣結果寫入RAM1，FFT單元運算RAM2中數據,輸出控制單元將上一次的FFT運算結果輸出。當整個電路完成一次采集分析后，啟動RAM選擇模塊，三組RAM的控制單元進行輪換，采樣電路將采樣結果寫入RAM3，FFT運算電路則使用RAM1，對采樣數據進行運算，而數據輸出電路控制RAM2將FFT的結果輸出。如此往復循環，實現流水線作業。下面是其中RAM選擇單元的部分代碼：? ??? always@(posedge f or posedge star)//f上升沿表示一次FFT完成? ??? ? begin//開始啟動信號和FFT完成信號共同控制選擇轉換參數? ??????? if(star)? ??????? a2=2′d1；? ??? ? else? ??????? if(a2==2′d2)? ??????? a2=2′d0；? ??? ? else? ??????? a2=a2+2′d1；? ??? ? end? ??? //下為控制轉換參數控制選擇? assign data_out1=(a2==2′d0)?data1:((a2==2′d1)?17′d0:((a2==2′d2)?data3:17′d0))；? assign data_out2=(a2==2′d0)?17′d0:((a2==2′d1)?data3:((a2==2′d2)?data1:17′d0))；? assign data_out3=(a2==2′'d0)?data3:((a2==2′d1)?data1:((a2==2′d2)?17′d0:17′d0))；? assign q_out1=(a2==2′d0)?q1:((a2==2′d1)?q3:((a2==2′d2)?q2:17′d0))；? assign q_out2=(a2==2′d0)?q2:((a2==2′d1)?q1:((a2==2′d2)?q3:17′d0))；? ??? ④時鐘控制單元：這個單元主要是一些時鐘分頻電路，控制整個電路的時序，不同模塊單元之間啟動的時序不一樣，時鐘頻率也不相同。在編寫時鐘控制單元時，最主要是實現各模塊時序配合，以防止出現競爭冒險。? ??? 除了上述幾個主要的模塊單元外，還需要生成一個旋轉因子表。旋轉因子表可以有多種生成方法，考慮到芯片資源，本設計選擇使用MATLAB生成旋轉因子表，通過調用兆函數，將生成的旋轉因子表固化到FPGA的ROM中。? ??? 當整個FFT模塊數據處理完之后，就可以逆序輸出。? ??? 設計完成后，可以在RAM塊中初始化數據得到仿真結果，對設計進行初步檢驗，圖4(b)是在RAM中初始化一個數據表后的FFT模塊仿真結果(q1實部，q2虛部)。? ??? 圖5為MATLAB仿真，與QUARTUS仿真結果相比較，可以看到結果吻合地相當好。? ? ? 3 速度分析? ??? 系統采用單乘法器結構，使用鎖相環倍頻時鐘作為總時鐘輸出，當總時鐘為200 MHz時，完成一次FFT處理的時間為21.4 μs，4 278個時鐘信號，在流水線作業下，可以完成A/D采樣速率高達12 MHz的數據處理。? ??? 本設計使用芯片邏輯資源的的77%，近4 600個邏輯單元，還使用了約39 000 bit的RAM。實驗證明，用低端的FPGA產品實現高速采樣控制和FFT處理是可行的。在實現過程中只要采用較好的設計思路，控制好寄存器的數目，便可以在芯片允許的資源范圍內達到所需要的信號處理目的，實現設計要求。? 參考文獻? [1] 吳繼華.Altera FPGA/CPLD設計（高級篇）.北京：人民郵電出版社，2005.? [2] 程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2001.? [3] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程.北京：北京航空航天大學出版社，2003.
