（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于fpga的多功能電子測量系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).pdf

東t 大學碩十學位論文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm i c r o e l e c t r o n i c s w a v e f o r ms h o w i n g d d s s i g n a lg e n e r a t i n g l o g i ca n a l y z i n ga n ds p e c t r u ma n a l y z i n gb a s e do nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s sh a sb e e na p p l i e di na l lk i n d so ff i e l d s a n di ta c t sa sa ni m p o r t a n tr o l e bu tt h e a d v a n c e dp r i c e so ft h e s ei n s t r u m e n t sh a sb e i n gb a f f l e dt h e i rw i d e s p r e a du s e a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l i z a t i o ns i t u a t i o no fe l e c t r o n i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n t c o m b i n e dw i t hf p g a sa d v a n t a g e so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ea r t i c l e s t u d i e das i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e mo fa na u x i l i a r ye l e c t r o n i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n tw i t ht h ef u n c t i o n so fw a v e f o r ms h o w i n g d d ss i g n a lg e n e r a t i n g l o g i c a n a l y z i n ga n ds p e c t r u ma n a l y z i n gb a s e do nf p g a t h ei n s t r u m e n tc a nb eu s e da s v e r i f i c a t i o na n dt e s ti m p l e m e n to fa m sd e s i g n t oo b s e r v et h ew a v eo fa n a l o g d i g i t a l o rs p e c t r a ls i g n a la n dg e n e r a t ed d ss i g n a l t h es y s t e mw a sr e a l i z e dw i t hal o wc o s t h i g h s p e e dc h i pc y c l o n ei io fa l t e r a w h i c hh a v eg o o dt e c h n o l o g yc o m p a t i b i l i t y w i t hd em e t h o do fp r o g r a m m a b l ed i g i t a l l o g i cs o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mb e c o m e se a s i e rt od e v e l o pa n de a s i e rt o f u n c t i o n e x p a n d t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed e s i g ni n c l u d i n g v e r i l o gh d ld e s i g nb a s e do n f p g a i p c o r e d a t aa c q u i s i t i o n d a t as t o r a g e d a t ap r o c e s s i n ga n dt h er t do fd a t a w a v e t h er e s e a r c h i n go fa b o v et e c h n o l o g yh a st h e o r yr e s e a r c hv a l u ea n da l s oh a s u t i l i t yv a l u ei ns c i e n t i f i ce x p e r i m e n ta n dp r o d u c t sd e s i g n t h ea i mo ft h es y s t e md e s i g n i sl o wr e s o u r c e sa n dh i g hp e r f o r m a n c e i nt h ep r o c e s so fd e s i g n s c i e n t i f i ca p pr o a c h a n dt h ed e s i g np h i l o s o p h yo fs p a c e s p e e db a l a n c ew a sa d o p t e dt o s a v ea llk i n d so f f p g ar e s o u r c e sa sm a n ya sp o s s i b l eo nt h ep r e m i s eo fk e e p i n go r i g i n a lf u n c t i o no ft h e f o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s t h e d e s i g nm a d e i t s p o s s i b l e t or e a l i z eal o w c o s t s u p p l e m e n t a r ye l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t k e y w o r d s e l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t f p g a d d s l o g i ca n a l y s i s f r e q u e n c y a n a l y s i s i i j 東1 二業(yè)大學碩十學位論文 獨創(chuàng)性聲明 秉承學校嚴謹?shù)膶W風與優(yōu)良的科學道德 本人聲明所呈交的論文是我個人在 導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以 標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 不包 含本人或其他用途使用過的成果 本學位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學讀書期間在導師的指導下取得的 論文 成果歸廣東工業(yè)大學所有 申清學位論文與資料若有不實之處 本人承擔一切相 關責任 特此聲明 指導教師簽字 論文作者簽字 爭繒姐匕 刎7 年占月客日 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論弟一早三百化 1 1 1 電子測量儀器的發(fā)展 電子測量儀器的演化與發(fā)展從總體上看沿著兩條主線展開 一是從所采用的 技術上看 經(jīng)歷了從模擬儀器到數(shù)字化儀器的發(fā)展過程 二是從儀器結構和實現(xiàn) 形式上看 經(jīng)歷了從單臺儀器到虛擬儀器的發(fā)展過程 這兩條發(fā)展主線的技術基 礎都是微電子技術 數(shù)字信號處理技術 計算機技術 并隨著這些技術的發(fā)展以 及深層次的逐漸結合而發(fā)展 無論儀器最終如何發(fā)展 任何一臺儀器測量系統(tǒng)都可概括為以下三個功能組 塊 信號采集 信號分析與處理 結果表達與輸 信號的表達對儀器的性能影 響不大 信號的采集速度卻是影響儀器性能的一個重要原因 信號的采集速度主 要取決于a d c 的速度 高速的a d c 是決定未來測試儀器 特別是電了測試儀器發(fā) 展方向的重要因素 但高速a d c 的技術對一個國家整體技術水平 特別則 i c 技術 水平有著極大的依賴關系 目前這方面的技術幾乎全被美國壟斷 這一點對國內(nèi) 儀器發(fā)展的定位有著不可忽視的影響 信號處理部分的數(shù)字化是儀器發(fā)展的必然選擇 對測量對象進行數(shù)字信號處 理 可以擴大動態(tài)范圍和提高測量精度 同時增強了儀器的穩(wěn)定性 可靠性 靈 活性 信號處理技術的應用 也大大拓展了儀器的使乒h 范圍 儀器的使用已涉及 到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 軍事 航天等各個領域 數(shù)字信號處理技術的應用 大大拓展了 儀器的功能和儀器的使用范圍 信號處理部分是發(fā)展最快 技術水平最高的領域 在相當大的程度上決定一個國家的儀器水平 是行業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn) 信號數(shù)字處理的實現(xiàn)途徑主要有兩種 一種是a d f p g a o rd s p d a 的形 式 一種是a d c p u 含操作系統(tǒng) d a 的形式 兩種結構各有優(yōu)點 在運算能 力上 d s p 和c p u 是運行軟件完成運算 而f p g a 則足直接以硬件方式執(zhí)行算法 當對特定的運算進行分解 執(zhí)行流水操作和并行運算后 其運算速度大大超過d s p 和c p u 在開發(fā)周期和可維護性上 c p u 最好 f p g a 次之 d s p 欠佳 采用d s p f p g a 或者是c p u 結構要針對不同的測量對象麗定 通常 f p g a 0 1 d s p 主要針對運 算復雜 實時性要求高 但程序不太大 任務相對單一的場合 如頻譜分析儀 邏輯分析儀 信號分析儀等 c p u 主要針對運算復雜 需要大量的數(shù)據(jù)和程序存儲 器 實時性要求適中 需要對測量數(shù)據(jù)進行復雜的分析和處理的場合上 如網(wǎng)絡 分析儀 生化分析儀等 東t 業(yè)大學碩l 學位論文 虛擬儀器通常采用c p u 結構 把信號的分析與處理 結果的表達與輸出放到計 算機上來完成 或在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡 把儀器的三個部分全部放到計算 機上來實現(xiàn) 突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理 表達 存儲等方面的限制 但虛擬儀 器以計算機作為其中的一部分 不方便攜帶 高端虛擬儀器的價格也非常昂貴 獨立儀器把信號采集 處理和結果輸出三部分放在一個獨立的機箱 有操作面 板 信號輸入輸出端口 還有各種通信接口等 檢測結果輸出方式有數(shù)字 指針 式表頭 圖形窗口等 可能還有打印輸出 近幾年來 獨立儀器通常采用f p g a o r d s p 結構 從信息處理技術的發(fā)展上看 以f p g a 為基礎的軟件硬件化是其重要 的發(fā)展方向 1 1 2 用f p f i h 實現(xiàn)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢 本 青對傳統(tǒng)d s p 技術與現(xiàn)代d s p 技術作一個一般性的比較 這里的傳統(tǒng)d s p 技術主要是指以d s p 處理器為核心或作為主要處理單元的d s p 應用系統(tǒng)及其開發(fā) 技術 現(xiàn)代d s p 技術主要指的是第二種形式中的可編程大規(guī)模集成電路實現(xiàn) 即使 用f p g a 技術 二者的不同之處主要表現(xiàn)在以下幾個方面 乜1 1 系統(tǒng)工作速度不同 與f p g a 相比 d s p 處理器最大的劣勢之一是處理速度比較慢 盡管在硬件結 構上作了大量的改進 如增加硬件乘法累加模塊和加入各種專用的加速協(xié)處理器 等 但其速度瓶頸來自于基于c p u 的指令順序執(zhí)行的基本工作模式 下面以目前完成乘法累加速度最快的t 1 的c 6 x 系列d s p 處理器 最常用的d s p 處理器和f p g a 完成同一算法進行比較結果見表卜l 1 表1 1f p g a 與d s p 處理器運算速度的比較 t a b l e l 1c a l c u l a t i o ns p e e dc o m p a r i s o i lo ff p g aa n dd s p 功能實現(xiàn) t i t 工a 1 t e r a 資源需求 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2t m s 3 2 0 c 6 4l4 e p l s l 2 0 階數(shù) 2 2 42 2 42 2 4 乘法累力i l 器數(shù) l8 最大 2 2 4 2 8 個d s p 模塊 內(nèi)部時鐘速度 1 0 0 m l l z6 0 0 m h z2 5 0 m h z 算出結果時鐘周期數(shù) 2 2 42 81 每秒乘加運算次數(shù) o 1 g m a c s4 8 g m a c s 5 6 g m a c s 由表1 1 可見 e p l 5 1 2 0 型的f p g a 的乘 j l j 速度最快 每秒為5 6 千兆次乘加 m a c 2 第一章緒論 操作 是t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 的1 2 倍 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的5 6 0 倍 而這時f p g a 中采用的內(nèi) 部時鐘速度還不到t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 的1 2 此外還應看到兩點 1 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 和t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 中的m a c 模塊的極限分別是8 和l 而 e p i s l 2 0 中的2 2 4 個類似于m a c 的d s p 模塊數(shù)卻非極限 因為f p g a 以中有數(shù)以萬 計的邏輯宏單元可供隨意組合成各種類型的硬件電路功能模塊 2 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 與e p i s l 2 0 的單片售價相當 但在實用d s p 系統(tǒng)中 單片 c 6 x 幾乎無法完成實際的運算任務 而f p g a 卻常能構成單片系統(tǒng) 2 系統(tǒng)結構可重構性彳 同 雖然加載不同的軟件程序能夠改變d s p 處理器的功能 但這種相刈 于a s i c 系 統(tǒng)來說十分靈活的功能并沒有什么實用價值 因為僅僅通過對d s p 處理器加載不 同的程序代碼 并不能有效地改變d s p 系統(tǒng)的諸如吞吐量 數(shù)據(jù)總線寬度 d s p 加速模塊的數(shù)量與功能 調(diào)制模式 實時加密算法 模塊d s p 系統(tǒng) 處理頻段帶 寬 通信協(xié)議 動態(tài)范圍 制式等技術參數(shù)和技術方案 這是因為這一切必須完 全改變硬件結構 硬件功能和硬件組成才能實現(xiàn) 也就是說除非d s p 系統(tǒng)具有硬 件可重構性 即結構有可重配置性才能實現(xiàn)上述變化 由于不同的配置文件下載于f p g a 后 將能獲得不同的硬件結構和硬件功能 因此基于f p g a 的d s p 系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)結構可重配置特性 3 系統(tǒng)知識產(chǎn)權自主性不同 由于基于f p g a 的d s p 系統(tǒng)主要是純硬件系統(tǒng)設計 可選的硬件實現(xiàn)方式很多 因此系統(tǒng)具有較好的自主知識產(chǎn)權屬性 基于d s p 處理器的系統(tǒng)則沒有這種屬性 4 掌握開發(fā)技術的難易程度不同 掌握傳統(tǒng)d s p 技術的閑難主要來自以下幾個方面 1 不同的開發(fā)日標需要選擇不同的d s p 處理器 詳細了解d s p 器件結構對 證確地設計d s p 硬件系統(tǒng)至關霞要 特別需要多片d s p 聯(lián)用時更是如此 對器件 硬件結構的熟悉和關注能力需要相當?shù)挠布_發(fā)經(jīng)驗 這顯然增加了學列的難度 2 不同的d s p 處理器結構將對應不同的匯編語言 以及不同的編程方法和 編程技巧 不同的d s p 處理器結構 不同的匯編語言及其對應的不同的d s p 系統(tǒng) 結構 都將對應不同的仿真開發(fā)工具以及編譯軟件 3 由于必須直接使用計算機語言來捕述和實現(xiàn)復雜的算法 且描述的方法 廣東t l k 大學碩 l 學位論文 與d s p 結構相關 因而設計過程缺乏直觀性和一般性 5 系統(tǒng)成本 功耗 集成度與可靠性不同 由于c p u 的靈活性 對于低速 低吞吐量和大量復雜運算的情況 d s p 處理器 方案的系統(tǒng)成本要比f p g a 系統(tǒng)低得多 而且此方案具有不可替代性 然而在實用系統(tǒng)中 以上的情況是比較少的 大多數(shù)的情況中不但需要盡可 能高速 高性能的d s p 處理器 而且多片d s p 連用的情況也十分普遍 在這種多 片d s p 系統(tǒng)中 每一片d s p 處理器都必須配置完整的輔助器件才能正常工作 其 中包括諸如數(shù)據(jù)r a m 程序r a m 和r o m f i f o 雙口r a m 即f p g a c p l d 輔助接口 器件等等 這種系統(tǒng)的成本將成倍提高自不必說 功耗 集成度與可靠性等性能 指標也都將不同程度地下降 基于f p g a 的d s p 系統(tǒng)的優(yōu)勢主要源于可以形成單片 系統(tǒng) 目前擁有大規(guī)模邏輯資源的f p g a 完全能容納本來必須由多片d s p 處理器構 成的系統(tǒng) 從而使得單片d s p 系統(tǒng)在各項技術指標大幅度提高的前提下 成本和 功耗大幅度下降 集成度與可靠性則大幅度提高 現(xiàn)在 隨著微電子技術的發(fā)展 采用現(xiàn)場可編程門陣列 f p g a 進行數(shù)字信號 處理發(fā)展迅速 采用現(xiàn)場可編程器件不僅加速了產(chǎn)品上市時間 還可滿足現(xiàn)在和 下一代便攜式設計所需要的成本 性能 尺寸等方面的要求 并提供系統(tǒng)級支持 隨著f p g a 技術這些年的發(fā)展 很多公司 研究人員詳細的研究了基于f p g a 的f f t 處理器 并且提出了一些基于不同算法的處理器結構 t l t e r a 公司也相繼推出了 多個版本的f f ti p c o r e 本文也正是基于f p g a 芯片 設計了一個包含a 1 t e r af f t i p c o r e 的多功能頻譜分析系統(tǒng) 1 1 3 幾種主要的電子測量儀器 頻率合成器是電子系統(tǒng)的心臟 是決定電子系統(tǒng)性能的關鍵設備 頻率合成 技術從3 0 年代發(fā)展到現(xiàn)在 經(jīng)歷了直接頻率合成 鎖相頻率合成和直接數(shù)字頻率 合成 d d s 三個階段 隨著基于數(shù)字集成電路的迅猛發(fā)展 集成合成器和數(shù)字計 算技術頻率合成方案大量涌現(xiàn) 早在1 9 7 8 年 由美國w a v e t e k 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣 頻率為5 m h z 可以形成2 5 6 點 存儲長度 波形數(shù)據(jù) 垂直分辨率為8 b i t 主要用 于振動 醫(yī)療等領域的第一代信號源 經(jīng)過將近3 0 年的發(fā)展 伴隨蓿電子元器件 電路 及生產(chǎn)設備的高集成化 波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高 目前我國己 4 第一章緒論 經(jīng)開始研制波形發(fā)生器 并取得了可喜的成果 但總的米說 我國波形發(fā)生器還 沒有形成真正的產(chǎn)業(yè) 就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看 多為一些p c 儀器捅卡 獨立 的儀器很少 并且我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較 大的差距 因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫 b 邏輯分析儀最早被構思為 數(shù)字示波器 由多線示波器的設計思路發(fā)展而成 自1 9 7 3 年美國i i p 公司和b i o m a t i o n 公司幾乎同時研制出了第一代邏輯分析儀 迄今為止已經(jīng)經(jīng)歷了四代 第一代產(chǎn)品速度低 功能簡單 具有基本觸發(fā)功能和 簡單顯示方式 第二代產(chǎn)品在觸發(fā)功能和顯示方式上有較大改進 以適應微機軟 硬件分析的需要 第三代產(chǎn)品實現(xiàn)微機化 將定時分析和狀態(tài)分析結合在一起 便 于軟 硬件交互分析 功能日臻完善 第四代產(chǎn)品構成功能完善的儀器系統(tǒng) 不 僅包含了早期的邏輯分析儀功能 還擴充了嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的功能 邏輯分析儀在高速硬件邏輯測試和軟件狀態(tài)分析中才h 當重要 但是前臺式邏輯 分析儀的價格比較昂貴 使得它不能普遍應用于教學和科研實驗 目前邏輯分析 儀的市場主要由外國產(chǎn)品占主導地位 核心技術掌握在如美國的a g i l e n t t e t r o n ix 等大公司手中 我國在8 0 年代初 開始邏輯分析儀方面的研制 生產(chǎn) 此外 還制定了相應的圍家標準 出版了該儀器的原理與應用專著 但目前 國 內(nèi)主要以應用為主 生產(chǎn)的部分邏輯分析儀由于功能單一 性能指標低 操作不 方便靈活 能投入實際運行的并不多 對信號的分析是電子測量中的一項重要內(nèi)容 它包括時域分析 頻域分析和 調(diào)制域分析 國外各種形式的頻譜測試儀發(fā)展很快 自3 0 年代末發(fā)明陰極射線管 以來 就出現(xiàn)了以掃頻方式顯示信號的頻譜分析儀 4 0 年代的頻譜分析儀是以掃 頻的射頻接收機為基礎的實驗室成果 5 0 年代全6 0 年代真正有了臺式頻譜分析 儀 目前國外的頻譜分析儀都實現(xiàn)了高分辨率 大動態(tài)范圍 高靈敏度 c t 數(shù)字 顯示 乃至數(shù)字存儲和高可靠性發(fā)展 在國內(nèi) 頻譜儀一直 卜要應用在軍事 國防及科研等高層而 是一個神秘 高檔的儀器 隨著通信的發(fā)展和普及 在科教 科研 生產(chǎn)等方面對頻普分析儀 需求越來越迫切 應用也更普及 頻譜儀成為一個必需的 射頻萬用表 的時代 已到來 目前 我國有些研究所正在對其中的關鍵技術進行研究 而且也有一些 低檔次的頻譜測試儀器出品 但高檔的測試儀器仍需使用國外的昂貴產(chǎn)品 廣東下業(yè)大學碩十學位論文 1 2 研究意義 針對電子測量儀器技術發(fā)展的情況和價格特點 結合用f p g a 進行數(shù)字信號處 理的優(yōu)勢 本設計主要研究用f p g a 來實現(xiàn)一種具有示波 d d s 信號發(fā)生 邏輯分析 和頻譜分析基本功能的輔助性獨立測量儀器的軟件系統(tǒng) 這種儀器可以作為數(shù)字 模擬混合電路測試和驗證的工具 用來觀察模擬信號波形 數(shù)字信號時序波形 模擬信號的幅度頻譜 也可以用來產(chǎn)生d d s 信號 系統(tǒng)的設計以a l t e r a 低成本芯片 c y c l o n ei i 來實現(xiàn) 該j 卷片具有成本低廉 功能擴展簡單等特點 功能完善后的 測量儀器在實驗室條件下可以作為昂貴的信號發(fā)生 分析儀器的替代者 系統(tǒng)在 設計過程中采用的關鍵技術包括 基于f p g a 并hi pc o r e 的v e r il o gh d l 設計 數(shù)據(jù) 采集 數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)波形的實時顯示以及功能模塊的劃分和集成 對這些技術的研究探討不僅有理論研究價值 在科學實驗和產(chǎn)品設計中同樣具有 重要的實用價值 1 3 研究目標 本課題研究的基于f p g a 的d d s 邏輯分析 頻譜分析系統(tǒng)是針對當前的示波 器 邏輯分析儀 頻譜分析儀 信號發(fā)生器功能獨立 價格昂貴的現(xiàn)狀而設計的 是一種多功能數(shù)據(jù)采集 處理 顯示系統(tǒng) 對該系統(tǒng)的設計研究主要有兩個目標 1 功能目標 d d s 信號發(fā)生 邏輯分析和頻潛分析模塊功能的實現(xiàn)是本設計的核心 發(fā)計將 在詳細分析d d s 邏輯分析和頻譜分析技術的特點的前提下 達到以下功能設計目 標 1 d d s 信號合成方式的實現(xiàn) 2 邏輯分析的多方式觸發(fā) 多頻率采樣 多通道和移動區(qū)域顯示方式的實現(xiàn) 3 頻譜分析數(shù)據(jù)采樣 數(shù)據(jù)加絨 f f t 處理及其信號預處理運算和后運算 頻 譜波形的v g a 顯示的協(xié)同工作的模式與控制方式的實現(xiàn) 2 成本目標 1 設計中將使用基于f p g a 的單片d s p 系統(tǒng)來代替基于d s p 處理器的多片d s p 系統(tǒng) 這樣能節(jié)省每一片d s p 處理器所必須的配置 其中包括諸如數(shù)據(jù)r a m 程序r a m 和r o m f i f o 雙口r a m 和f p g a c p l d 輔助接口器件等 將能使得 6 第一章緒論 單片d s p 系統(tǒng)在各項技術指標大幅度提高的前提下 成木和功耗火幅度下 降 集成度與可靠性則大幅度提高 2 設計將重點研究可編程邏輯器件軟件設計中自頂向下的設計思想和科學的 模塊劃分 設計和集成的方法 在保持原四種信號處理功能不變的前提下集 成系統(tǒng) 盡量多的節(jié)約各種f p g a 資源 以低資源 高性能的f p g a 設計為目 標 為實現(xiàn)設計系統(tǒng)的小型化和低成本化做必要的技術準備 1 4 研究內(nèi)容 從實現(xiàn)的功能來看 課題主要研究包括了實現(xiàn)方法 信號處理功能模塊設計 信號采集控制 信號輸出控制和數(shù)據(jù)存儲等5 個方面的內(nèi)容 1 實現(xiàn)方式 基于f p g a 的嵌入式設計方法是本設計的最大特點 設計首先研究了f p g a 的 性能特點 在硬件上 從f p g aj 卷片的分類和基本結構開始 研究了a 1 t e r ac y c l o n e i i 系列器件的特點和本設計所采用的e p 2 c 3 5 f 系列c y c l o n ei i 芯片的結構與配置 方式 在軟件設計上 研究了可編程邏輯器件軟件設計的流程和采用v e r il o gh d l 語言進行可編程邏輯器件軟件設計的優(yōu)勢 2 信號處理功能模塊設計 示波 d d s 信號發(fā)生 邏輯分析和頻譜分析模塊功能的實現(xiàn)足本設計的核心 在分析了相關理論基礎的前提下 探討了d d s 的信號合成方法與實現(xiàn) 邏輯分析 的多方式觸發(fā) 多頻率采樣 多通道和移動區(qū)域顯示的控制方法與實現(xiàn) 頻譜分 析系統(tǒng)設計中 詳細分析了用于實現(xiàn)快速傅里葉變換的f f ti pc o r e 的兆功能函 數(shù) 處理器引擎結構與模塊的接口信號定義 重點研究了頻譜分析數(shù)據(jù)采樣 數(shù) 據(jù)加載 f f t 處理及其信號預處理運算和后運算 頻譜波形的v g a 顯示的協(xié)同工作 的模式與控制方式的實現(xiàn) 3 信號采集控制 本設計的信號采集采用了模擬輸入和數(shù)字輸入兩種方式 其中 模擬信號是 示波模塊與頻譜分析模塊的輸入信號 數(shù)字信號是邏輯分析模塊的輸入信號 模 擬信號的采集是用狀態(tài)機來實現(xiàn)對a d 轉(zhuǎn)換器t l c 5 4 9 的驅(qū)動時鐘和使能控制 數(shù) 字信號采集模塊的設計采用多方式觸發(fā)和多采樣頻率的方式 觸發(fā)方式包括高 低 7 廣東t q k 大學碩十學何論文 電平觸發(fā) 單邊沿升 降觸發(fā) 雙邊沿觸發(fā)和立即觸發(fā) 采樣頻率時鐘的可選擇從 1 0 0 0 h z 到1 0 0 m h z 的1 6 種頻率 4 信號輸出控制 系統(tǒng)的輸出包括d d s 的d a 輸出和波形信號的v g a 輸出兩部分 d a 輸出使 用狀態(tài)機來實現(xiàn)對d a 轉(zhuǎn)換器t l c 5 6 2 0 的時鐘和d a 模式的控制 v g a 輸出 在v g a 的驅(qū)動控制上 針對v g a 顯示的工業(yè)標準頻率 設計中用行 場兩個掃描計數(shù)器 進行計數(shù)器來同時控制行 場同步信號輸出 進行圖像顯示 在v g a 波形圖像顯 示控制上 以柵格背景劃分屏幕來觀察波形顯示時間 將屏幕分成1 6 個大格和8 0 個小格 每個小格的顯示時問是0 2 m s 大格i m s 一屏的顯示時間是1 6 m s 邏輯 分析的波形顯示還將屏幕垂直平分為1 0 個區(qū)域 以實現(xiàn)多通道顯示 5 數(shù)據(jù)存儲 由于f p g a 上提供的存儲資源有限 開發(fā)的程序較大 同時系統(tǒng)還有大量數(shù) 據(jù)存儲的功能需求 本設計研究了c y c l o n ei if p g a 存儲結構的特點 結合v g a 水甲分辨率為6 4 0 像素的特點 采用了移動顯示區(qū)域的方法 節(jié)約了r a m 資源 專門設計了數(shù)據(jù)加載模塊米對r a m 進行存取 提高了程序的可移植性和電路綜合 的效果 1 5 論文的總體結構 本文總共分為六章 其中第一章緒論主要介紹本文的研究背景 選題意義 研究目標和研究內(nèi)容 第二章中給出了與研究相關的理論綜述 第三章介紹了可 編程邏輯器件設計的j 卷片特點 選擇 配置及其軟件設計流程 第四章詳細描述 了d d s 邏輯分析 頻譜分析二三個獨立的功能子系統(tǒng)的設計 仿真與系統(tǒng)的集成 第五章對集成系統(tǒng)進行功能演示 并對集成系統(tǒng)資源節(jié)約情況進行了統(tǒng)計 最后 是對本文所做研究工作的總結和對進一步研究的展望 8 第二章相關理論 第二章相關理論 2 1 直接數(shù)字頻率合成技術 頻率合成是指以一個或多個參考頻率源為基準 在某一頻段內(nèi) 綜合產(chǎn)生并 輸出多個工作頻率點的過程 基于此原理制成的頻率源為頻率合成器 直接數(shù)字 合成 d d s 由于具有極高的頻率分辨率 極快的變頻速度 變頻相位連續(xù) 相噪 較低 易于功能擴展和全數(shù)字化便于集成等優(yōu)點 在短短的二十多年里得到了飛 速的發(fā)展和廣泛應用 d d s 的基本結構包括 相位累加器 正弦查值表r o m 數(shù)模轉(zhuǎn)換器d a c 及低通 濾波器等 隨1 我們以正弦信號的產(chǎn)生為例詳細說明具有調(diào)頻調(diào)相功能的直接數(shù)字 頻率合成技術的原理 圖2 1 所示是一個基本的d d s 電路的工作原理框圖 它是以數(shù)控振蕩器的方 式產(chǎn)生頻率 相位可控制的正弦波 電路一般包括基準時鐘 頻率累加器 相位 累加器 幅度 相位轉(zhuǎn)換電路 d a 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器l p f 組成 其具體工作過 程如下 相位累加器 廠 弋 相位步進量 頻率控制字 圖2 1d d s 原理框圖 f i g 2 1p rif i c i p l ob l o c k 每來一個時鐘脈沖f n 位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)x 與累加器存儲器輸出的 累加相位數(shù)據(jù)相加 把相加后的結果y 送至累加寄存器的輸入端 累加寄存器一 方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端 以 使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)x 相加 而另一方面累加器又 將累加值作為取樣地址值送入幅度 相位轉(zhuǎn)換電路 r o m 根據(jù)這個地址值輸出相應 9 廣 東丁q k 大學碩十學位論文 的波形數(shù)據(jù) 最后經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波 形 低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分最以便輸出頻譜純凈的正弦波 相位累加器在基準h t 1 1 的作用下 進行線性相位累加 由于相位累加器的字長有 限 當相位累加器加到一定值后 其輸出將會溢出 這樣波形存儲器的地址就會 循環(huán)一次 既意味著輸出波形循環(huán)一刷 完成一個周期性的動作 這個周期就是 d d s 合成信號的一個頻率周期 累加器的溢出頻率就是d d s 輸出的信號頻率 故改 變頻率字即相位增量 就可以改變相位累加器的溢出時間 在時鐘頻率小變的條 件下就可以改變輸出頻率 下面討論建立d d s 數(shù)出頻率與其它一些參數(shù)之間的關系 根據(jù)圖2 1 有 f m 一一參考時鐘頻率 t m 1 f 小 f 川一一輸出頻率 t 1 f 叭 f 廣一頻率控制字 用x 表示 即相位增量 設累加器的長度是l 位 控制r o m 產(chǎn)生一整周期正弦波輸出是m 位 l 位中 的最高m 位 m l 顯然 2 相當于3 6 0 0 2 萬r a d 因而m 位中的m s b 最高有 效位 相當于1 8 0 0 萬r a d m 位中的l s b 最低有效位 相當于3 6 0 0 2 27 2 2 同樣 l 位中的l s b 相當于27 2 r a d 這個2 萬 2 r a d 就是最小的相位增量 于 是 f 的x 值對應的相位增量就是x 2 萬 2 r a d 這樣 完成 整周期的正弦波 輸出需要經(jīng)過27 7 xx27 7 2 r a d 個參考時鐘周期 即2 x 個周期 因此 v 輸出頻率為f o u t 2 石ae 膻 其中x 為頻率字的值 可以看出當x 1 時 輸出頻率最小 二 f 即d d s 系統(tǒng)的最小輸出頻率為f m i 等 r m 也就是d d s 系統(tǒng)的頻率分辨率 么 對于d d s 系統(tǒng)從波形存儲器中讀出數(shù)據(jù)的過程 我們可以將其看作是對存儲在 存儲器內(nèi)波形的在此采樣 一個周期內(nèi)查表的點數(shù)即為采樣的點數(shù) 這樣受奈奎 斯特定理的限制 d d s 系統(tǒng)在一個周期內(nèi)至少要取樣兩點 才能重新合成輸出波形 f 因此最大輸出頻率為f o u 等 這也說明了為什么在d d s 中參考時鐘頻率總是比基 z 波輸出頻率高的原因 1 0 第二章相關理論 2 2 邏輯分析儀 2 2 1 邏輯分析儀基本原理 邏輯分析儀主要有兩個基本功能 一是用便于觀察的形式顯示出數(shù)字系統(tǒng)的 運行情況 相當于擴展了人們的視野 起一個邏輯顯示器的作用 二是對系統(tǒng)進 行分析和故障診斷陽 邏輯分析儀的簡化框圖如圖2 2 所示 主要由數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)顯示兩大部分組 成 前者捕獲并存儲所要觀察分析的數(shù)據(jù) 后者用多種形式顯示這些數(shù)據(jù) 其中 數(shù)據(jù)輸入部分將各通道的輸入變換成相應的數(shù)據(jù)流 觸發(fā)產(chǎn)生是邏輯分析儀的關 鍵部分 它的作用足在被分析的數(shù)據(jù)流中搜索特定的數(shù)據(jù)字 一旦發(fā)現(xiàn)這個數(shù)字 便產(chǎn)生觸發(fā)信號去控制和存儲有效數(shù)據(jù) 它決定了所觀察的數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)流中 的位置 數(shù)據(jù)顯示部分則將存儲器中的有效數(shù)據(jù)以多種顯示方式顯示出來 整個 系統(tǒng)的運行 郜是在外部時鐘 同步 或內(nèi)部時鐘 異步 的作用下實現(xiàn)的 內(nèi)部時 外部時 數(shù)據(jù)獲取部分 圖2 2 邏輯分析儀簡化框圖 0 1 2 2 2 邏輯分析儀主要技術指標 1 邏輯分析儀的通道數(shù) 在需要邏輯分析儀的地方 要對一個系統(tǒng)進行全面 地分析 就應當把所有應當觀測的信號全部引入到邏輯分析儀當中 這樣邏輯分 析儀的通道數(shù)至少應當是 被測系統(tǒng)字長 被測系統(tǒng)控制總線數(shù) 時鐘線數(shù) 2 定時采樣速率 在定時采樣分析時 要有足夠的定時分辨率 就應當有足 廣東t i k 大學碩十學位論文 夠高的定時分析采樣速率 3 邏輯分析儀的每通道的內(nèi)存長度 邏輯分析儀的內(nèi)存是用于存儲它所采樣 的數(shù)據(jù) 以便用于對比 分析和轉(zhuǎn)換 4 觸發(fā)條件是衡量邏輯分析儀優(yōu)劣的一個重要指標 良好的觸發(fā)條件是邏輯 分析儀準確捕捉故障點的保證 針對不同的需要 設置電平 不同的觸發(fā)條件 1 2 3 快速傅里葉 f f t 算法 2 3 1f f t 的基本原理 傅立葉變換是一種將信號從時域變換到頻域的變換形式 離散傅立葉變換 d f t 是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表示形式 快速傅立葉變換 f f t 是 快速計算d f t 的一利一高效方法 f f t 的出現(xiàn)使d f t 的運算大火簡化 運算時f u 縮短 一至三個數(shù)量級之多 從而使d f t 得到廣泛的應用 引 f f t 模擬信號x t 的連續(xù)時間傅立葉變換 或稱頻譜 可表示為 x 緲 e x 戶巾d t 2 1 x t 經(jīng)抽樣后變?yōu)閤 n t x n t 的傅立葉變換可以表示為 x 尼 x n w p v k 2 2 n o 式中 嘭 e 2 州 稱為蝶形因子 f f t 算法利用了w 內(nèi)在的對稱性和周期性 從而加快了運算的速度 圖2 3 所示為n 8 時蝶形因子w 的對稱性和周期性 孵一 時 畔 孵 孵 嚼4 喈 棚 j 1 皚 切 蜉 時 圖2 3w s 的周期性與對稱性 f i g 2 3w n sp e r i o d i c i t ya n ds e m m e t r y 1 2 第二章相關理論 對稱性 周期性 w i 制 訃娩 w w 2 3 2 4 從圖中可以看出 f f t 算法將長序列的d f t 分解為短序列的d f t n 點的d f t 先分解為2 個n 2 點的d f t 每個n 2 點的d f t 又分解為n 4 點的d f t 等等 因 此 基數(shù)為2 的算法的最小變換 或稱蝶形 是2 點d f t 2 3 2f f t 算法分類 一般而言 f f t 算法可以分為頻率 時間抽取 d i f f l d i t f f t 分裂基 g o o d t h o m a s 等 第一種算法的應用最普遍 3 1 頻率抽取 d i f f f t 頻率抽取f f t 算法是在頻域里把序列分解為奇 偶的形式來進行計算 頻率 抽取f f t 算法首先將輸入序列按照自然順序分為前半部分和后半部分 偶序列 x 0 x 1 x 2 x n 2 一1 奇序列 x n 2 x n 2 1 x n 2 2 x n 1 因此 x n 的n 點f f t 可以表示為 一l 一l x 庀 x 聆職礎 嶗 x 行腭 n o j v 2 n l2 1 x 玎 一1 x 玲 n 2 f f 2 5 n o n i 2 1 k 為偶數(shù)時 工 2 尼 l 船 x z 2 粥 k o 1 n 2 一1 n o n 2 1 k 為奇數(shù)時 x 2 k 1 x 門 一x 門 2 h 嶗 k o l n 2 1 因為 w 焉礎 公 2 駕涉 z x n x n n 2 z 船 x 玎 一x n n 2 則有 x 2 k 少 孵 2 6 h 0 n 2 1 x 2 k 1 z 以 蝶蝶礎 2 7 打 o 以同樣的方式 就町以得到n 4 點的d f t 重復這個過程 就可使n 點的d f t 用一 組2 點的d f t 來計算 設n 2 則共有m 級運算 d i f 蝶形運算如圖2 4 所示 廣東t 業(yè)大學碩十學位論文 a a b 圖2 4 基2d i ff f t 碟形運算 f i g 2 4b a s e 一2d i ff f ta c e t a b u li f o r mo p e r a t i o n 設蝶形的輸入分別為a 和b 輸出分別為a 和b 則有 a a b 2 8 b 口一6 蝶 2 9 由于n 2 是一個偶數(shù) 因此可以將n 點d f t 的輸出再分解為偶部與奇部 這 樣就進一步將n 點d f t 分解為兩個n 4 點的d f t 了 這兩個n 4 點d f t 的輸入也 是將n 2 點d f t 的輸入上 下對半分開后通過蝶形運算而形成的 圖2 5 是按照 2 6 與2 7 式的第一次分解 x n 的前一半與后一半按 2 8 與 2 9 式通過蝶形運算形成a 和b 對a 作n 2 點d f t 得到x k 的偶部 同樣對b 作n 點d f t 得到x k 的奇部 這樣一個n 2 m 點的d f t 通過m 次分解后 最后總是 剩下全部是2 點的d f t 了 2 點d f t 實際上只有加 減運算 然而為了比較 也為 了統(tǒng)一運算的結構 仍然用一個系數(shù)為蝶的蝶形運算來表示 圖2 6 顯示了一個 n 8 的完整的按頻率抽取的f f t 信號流程圖 x l o 1 l x 2 l 1 3 l 1 4 l i s i x 1 6 j x f f l 4 點 d f t 4 點 d f t 4 o l 4 2 l 4 4 l 6 j 4 1 1 l 1 3 l 1 5 l 7 l 圖2 5 按頻率抽取將8 點d f t 分解為兩個4 點d f t 1 4 第二章相關理論 x 0 1 x o l x 2 j x d j x 4 i x i s j x 8 1 x f f l x o l 4 l 1 2 j 1 6 i x o l 1 5 l x 3 l x 7 l 圖2 68 點d i ff f t 的信g 流程圖 f i g 2 7s i g n a lf l o wg r a p ho f8 一p o i n td i ff f t d i t 和d i f 兩種f f t 算法的區(qū)別是旋轉(zhuǎn)因子噼出現(xiàn)的位置不同 d i t 中孵在 輸入端 而d i f 中噼在輸出端 除此之外 兩種方法是一樣的 在此不再敷述 2 其他f f t 算法 比較常用的f f t 算法為基2 f f t 算法 蝶形的輸入和輸出均為2 個 如果采用 更高基的f f t 則f f t 的運算速度可以進一步加快 但當基數(shù)大于4 時f f t 的運算 速度提高不多 因此基2 和基4 是兩種最常用的方法 在基4 f f t 中 蝶形的輸入 和輸出均為4 個 一般而言 采用基4 f f t 算法 要比基z f f t 算法的速度提高2 0 左右 此外還有分裂基算法 g o o d t h o m a sf f t w f t a z f f t 線性調(diào)頻z 變換算法等 新的算法 對一些特殊的情況 可采用特殊的算法 如輸入中含有大量的零或輸 出僅取少量幾個點 可以采用f f t 的p r u n i n g 算法等 2 4 本章小結 本章闡述了信號發(fā)生的基本原理和d d s 的基本結構 分析了邏輯分析儀的基 本結構和技術指標 頻譜分析的和f f t 算法的基本原理和分類 為后續(xù)章節(jié)d d s 邏輯分析系統(tǒng)和頻譜分析系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù) 廣東t 業(yè)大學碩十學位論文 第三章可編程邏輯器件及其軟件設計 可編程邏輯器件 p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 是廠家作為一種通用型器 件生產(chǎn)的半定制電路 用戶可以通過對器件編程實現(xiàn)使之實現(xiàn)所需要的邏輯功能 它的應用和發(fā)展彳 僅簡化了電路設計 降低了成本 提高了系統(tǒng)的可靠性 而且 給數(shù)字系統(tǒng)的設計方式帶來了革命性的變化 3 1 現(xiàn)場可編程門陣列 f p g a 3 1 1f p g a 的分類 f p g a 的發(fā)展非常迅速 形成了各種彳 同的結構 不同廠家 不同型號的f p g a 其結構有各自的特色 但就其基本結構來分析 大致有以下幾種分類方法 1 按邏輯功能塊的大小分類 可編程邏輯塊足f p g a 的基本邏輯構造單元 按照邏輯功能塊的大小不同 可 將f p g a 分為細粒度結構和粗粒度結構兩類 細粒度f p g a 的邏輯功能塊一般較小 其優(yōu)點是功能塊的資源可以完全利用 缺點是完成復雜的邏輯功能需要大量的連線和開關 因而速度慢 粗粒度f p g a 的 邏輯功能塊規(guī)模大 功能強 完成復雜邏輯只需較少的功能塊和內(nèi)部連線 因而 能獲得較好的性能 缺點是功能塊的資源有時不能充分被利用 2 按互連結構分類 根據(jù)f p g a 內(nèi)部的連線結構不同 可將其分為分段互連型和連續(xù)互連型兩類 分段互連型f p g a 中有不同長度的多種金屬線 各金屬線段之間通過開關矩陣 或反熔絲編程連接 這種連線結構走線靈活 但在設計完成前無法預測 設計修 改將引起延時變化 連續(xù)互連型f p g a 是利用相同長度的金屬線貫穿于整個芯片來 實現(xiàn)邏輯功能塊之間的互連 這種連線結構的布線延時是固定和可預測的 3 按編程特性分類 根據(jù)采用的開關元件的不同 f p g a 可分為一次編程型和可重復編程型兩類 一次編程型f p g a 采用反熔絲開關元件 具有體積小 集成度高 互連線特性阻抗 低 寄生電容小及可獲得較高的速度等優(yōu)點 但它只能一次編程 一旦將設計數(shù) 1 6 第三章可編程邏輯器件及j 軟件設計 據(jù)寫入 簽片后 就不能再修改設計 因此比較適合于定型產(chǎn)品及大批量應用 可重復編程型f p g a 采用g r a m 開關元件或快閃e p r o m 控制的開關元件 每次重 新加電 f p g a 都要重新裝入配置數(shù)據(jù) 其突出優(yōu)點就是可反復編程 系統(tǒng)上電時 給f p g a 加載不同的配置數(shù)據(jù) 即可令其完成不同的硬件功能 這種配置的改變甚 至可以在系統(tǒng)的運行中進行 實現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)重構 n 3 1 2f p g a 的基本結構 f p g a 一般由三種可編程電路和一個用于存放編程數(shù)據(jù)的s r a m 組成 這三種可 編程電路是 可編程邏輯塊c l b c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k 輸入輸出模塊i o b i 0b l o c k 和互連資源i r i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e 其基本結構如圖3 1 所示 可編程邏輯塊是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元 它們通常規(guī)則地排列成一個陣 列 可編程輸入 輸出模塊主要完成j 卷片上的邏輯與外部封裝腳的接口 可編程互 連資源包括各種長度的連線線段和一些可編程連接開關 它們將各個c l b 之間