FPGA器件與MATLAB接口仿真過程

1、FPGA器器件的開開發(fā)平臺臺與MAATLAAB接口口仿真引言 現(xiàn)場場可編程程邏輯門門陣列FFPGAA器件的的出現(xiàn)是是超大規(guī)規(guī)模集成成電路技技術和計計算機輔輔助設計計技術發(fā)發(fā)展的結結果。FFPGAA器件集集成度高高、體積積小，具具有通過過用戶編編程實現(xiàn)現(xiàn)專門應應用功能能。它允允許電路路設計者者利用基基于計算算機的開開發(fā)平臺臺，經(jīng)過過設計輸輸入、仿仿真、測測試和校校驗，直直到達到到預期的的結果。目目前使用用最多的的Quaartuus III 軟軟件支持持幾乎所所有的EEDA工工具，并并且可以以通過命命令行或或Tcll腳本與與第三方方EDAA工具之之間進行行無縫連連接。但但在很多多工程設設計應用用中

2、，由由FPGGA器件件完成的的主程序序中只完完成大量量的數(shù)學學運算，程程序調(diào)試試時以二二進制輸輸出的信信號可視視性差，給給設計人人員進行行仿真、調(diào)調(diào)試帶來來了很多多不便。對對于很多多工程設設計人員員來說MMATLLAB是是一種熟熟悉的具具有強大大的運算算功能和和波形仿仿真、分分析功能能的軟件件，如果果能將FFPGAA與MAATLAAB接口口，就可可以快速速、準確確、直觀觀地對FFPGAA程序進進行校驗驗和仿真真，尤其其在波形形信號處處理等工工程應用用領域具具有實際際意義。Quarttus II 開發(fā)軟軟件Alterra公司司的QuuarttusIII軟件件提供了了可編程程片上系系統(tǒng)（SSOPC

3、C）設計計的一個個綜合開開發(fā)環(huán)境境。Quuarttus II 開發(fā)工工具人機機界面友友好、易易于使用用、性能能優(yōu)良，并并自帶編編譯、仿仿真功能能。QuuarttusIII軟件件支持VVHDLL和Veerillog硬硬件描述述語言的的設計輸輸入、基基于圖形形的設計計輸入方方式以及及集成系系統(tǒng)級設設計工具具。QuuarttusIII軟件件可以將將設計、綜綜合、布布局和布布線以及及系統(tǒng)的的驗證全全部都整整合到一一個無縫縫的環(huán)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設設計軟件件根據(jù)設設計者需需要提供供了一個個完整的的多平臺臺開發(fā)環(huán)環(huán)境，它它包含整整個FPPGA

4、和和CPLLD設計計階段的的解決方方案。圖圖1說明明了QuuarttusIII軟件件的開發(fā)發(fā)流程。在實際應用用設計中中，對程程序原理理性及可可執(zhí)行性性的驗證證主要集集中在程程序修改改階段，尤尤其在處處理的數(shù)數(shù)據(jù)復雜雜、繁多多時，QQuarrtuss III自帶的的波形輸輸入仿真真就很難難實現(xiàn)程程序的驗驗證，而而且輸出出的數(shù)據(jù)據(jù)不能方方便的以以波形圖圖示直觀觀的呈現(xiàn)現(xiàn)，給程程序設計計者在校校驗程序序階段帶帶來了很很多的不不便。再再有，在在很多數(shù)數(shù)字電路路設計中中，考慮慮成本的的問題，F(xiàn)FPGAA實現(xiàn)的的往往是是設計的的核心部部分，而而很多的的外圍電電路如AA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、DD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器等等仍然

5、使使用傳統(tǒng)統(tǒng)的接口口芯片來來實現(xiàn)。而而QuaartuusIII 設計計只是針針對數(shù)字字信號，并并不支持持模擬量量的輸入入。而僅僅僅為了了便于程程序的驗驗證而用用FPGGA實現(xiàn)現(xiàn)這些外外圍電路路，不但但會大大大延長程程序的開開發(fā)周期期，更會會增大開開發(fā)的成成本。而而MATTLABB具有強強大的運運算功能能，可以以容易的的實現(xiàn)AA/D、DD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換等外外圍電路路功能，并并能以波波形形式式將結果果直觀地地呈現(xiàn)，極極大地方方便了程程序設計計人員設設計應用用系統(tǒng)。 QuarttusIII與MMatllab的的接口實實現(xiàn)接口原理VHDL程程序從根根本上講講就是將將一些現(xiàn)現(xiàn)有的數(shù)數(shù)據(jù)進行行處理，并并輸出預

6、預期的數(shù)數(shù)據(jù)。QQuarrtussII 軟件的的波形文文件（.vwff文件）可可以根據(jù)據(jù)設計人人員的要要求靈活活輸入。但但在大多多數(shù)情況況下需要要仿真的的波形數(shù)數(shù)據(jù)數(shù)量量龐大，這這樣的輸輸入方式式就明顯顯不能滿滿足仿真真的要求求了。而而上述提提到的一一些外圍圍電路的的作用也也是將需需要處理理的數(shù)據(jù)據(jù)輸入到到程序中中，并將將處理過過的數(shù)據(jù)據(jù)輸出到到指定的的裝置。根根據(jù)這一一原理，用用一個輸輸入、輸輸出寄存存器就可可以方便便的實現(xiàn)現(xiàn)與MAATLAAB之間間的接口口了。QQuarrtussII工工具中提提供了很很多種類類的寄存存器宏模模塊，并并能根據(jù)據(jù)用戶的的要求進進行編輯輯。使用用這些宏宏模塊可可

7、以很容容易地實實現(xiàn)與MMATLLAB之之間的接接口。下下面就是是幾種RRAM宏宏模塊：接口的實現(xiàn)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的輸入入很多FPGGA程序序在仿真真時，需需要輸入入特定條條件下的的數(shù)值。程程序設計計時，可可以在輸輸入端口口前加一一個預置置的存儲儲器，那那么初始始數(shù)據(jù)的的輸入就就變成了了該寄存存器的初初始化。一一般情況況下，這這些初始始數(shù)據(jù)很很容易用用MATTLABB軟件經(jīng)經(jīng)過計算算實現(xiàn)。QQuarrtussII中中提供了了兩種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生成的的數(shù)據(jù)可可以方便便的根據(jù)據(jù)指定路路徑加載載到寄存存器模塊塊中。數(shù)據(jù)的輸出出數(shù)據(jù)輸出和和數(shù)

8、據(jù)輸輸入的原原理是相相同的。將將寄存器器中的.miff文件或或.heex文件件導出，并并加載到到MATTLABB中相應應的變量量中，MMATLLAB的的波形仿仿真功能能就可使使設計人人員方便便直觀地地觀察程程序結果果了，這這樣大大大地方便便了設計計人員在在設計早早期對程程序進行行校驗。 應用舉例這里以一個個簡單的的FFTT諧波分分析過程程的設計計為例，說說明如何何在FPPGA設設計中靈靈活地應應用MAATLAAB來完完成設計計的初步步仿真和和驗證。FFPGAA的快速速運算雖雖然能更更好的實實現(xiàn)了FFFT，但但大多數(shù)數(shù)FFTT設計并并不能預預知處理理對象的的準確波波形，而而QuaartuusII

9、I更不能能提供直直觀的結結果觀察察。為了了驗證設設計的可可行性，在在設計時時，在輸輸入、輸輸出端分分別設置置一個數(shù)數(shù)據(jù)存儲儲器，數(shù)數(shù)據(jù)存入入的時序序可以根根據(jù)設計計的要求求靈活控控制，存存儲需要要的數(shù)據(jù)據(jù)。需要要注意的的一點就就是，對對于大量量數(shù)據(jù)的的波形驗驗證，存存儲器的的加入會會使設計計的資源源變大，初初步驗證證時需使使用比預預計的容容量大的的器件。在在程序的的初步驗驗證之后后，就可可以在預預定的器器件中進進行編譯譯配置，然然后進行行進一步步的調(diào)試試。 程程序設計計如圖2所示示，程序序設計大大致分為為四個模模塊，主主程序模模塊、輸輸入存儲儲器、輸輸出存儲儲器以及及控制模模塊。主主程序模模塊

10、是FFFT的的設計程程序，來來完成預預期的數(shù)數(shù)據(jù)處理理，而輸輸入、輸輸出存儲儲器則為為與Maatlaab的接接口程序序，控制制模塊則則控制數(shù)數(shù)據(jù)的輸輸入、輸輸出，也也即是接接口模塊塊的控制制。接口的設計計 假設設計時時的A/D接口口采樣頻頻率為550kHHz，即即一個周周期內(nèi)的的采樣點點數(shù)為110000點。在在MATTLABB中可以以很容易易的實現(xiàn)現(xiàn)公式(1)所所示的信信號的AA/D采采樣。根根據(jù)采樣樣要求，就就可以確確定輸入入存儲器器的容量量為122 10000bbit。將將MATTLABB中生成成的目標標向量以以相應的的二進制制表示，并并導入到到該輸入入存儲器器中，就就完成了了輸入存存儲器

11、的的初始化化。所得得的結果果輸出原原理亦同同，在MMATLLAB中中建立大大小相當當?shù)南蛄苛?，將輸輸出存儲儲器中的的?shù)據(jù)導導入到該該向量就就可以直直觀的形形式觀察察輸出的的結果。那那么設計計中的關關鍵問題題主要就就集中在在了控制制模塊的的設計。該該模塊的的時序必必須與外外圍電路路時序、主主程序中中的時序序相匹配配，以達達到逼真真模擬真真實A/D等外外圍電路路的作用用。結果仿真 任意取兩個個不同的的輸入信信號如下下：按照上述的的程序設設計流程程，可以以由FPPGA快快速計算算得到任任意波形形的FFFT處理理結果，并并以直觀觀的結果果方便程程序設計計人員的的初步程程序調(diào)試試。結論FPGA器器件的最最大的優(yōu)優(yōu)勢就是是具有更更快的速速度、更更靈活