基于FPGA的数据采集分析系统设计
2009-06-10
作者：肖祖胜，程 明
摘 要： FPGA是一种高密度逻辑器件。与通用的MCU相比， FPGA具有并行数据处理特性。利用该特性，能够实现对高速A/D的采样控制；同样， 使用FPGA对采样数据进行频谱分析，能够达到比DSP芯片更高的数据处理速度。
关键词： 采样；MCU；FPGA
在计算机控制系统中，常常需要采集各种模拟量信号，并对它们进行模数转换，将外部输入的模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行加工处理。在很多情况下，计算机应用系统中常用普通MCU(如51系列单片机或控制型DSP)完成系统任务。由于MCU一般均采用指令处理结构，要想达到高的处理速度相当困难，一般速率不会超过MHz级。而FPGA具有高速并行处理的特性，采用FPGA控制数据采集可以达到很高的采样速率。
数字信号处理的方式一般有两种：一种是使用单片机或DSP等MCU，通过软件编程实现；另外一种是利用专用逻辑电路或可编程逻辑器件实现。用软件编程来实现，虽然有很大的灵活性，但受DSP或单片机性能及程序指令顺序执行的限制，难以实现高速、大规模运算;而专用集成电路芯片或FPGA却可以实现很高的运算速度，非常适合高速信号处理系统的应用。
鉴于此，可以采用FPGA来完成一个模拟信号的采集分析系统。现在用FPGA做信号处理使用的大多是比较高端的片子，价格都比较贵，像ALTERA的Stratix系列、XILINIX的Virtex系列等。考虑到成本，在本设计中尝试使用ALTERA的低端FPGA来完成设计。
尽管ALTERA提供了很多关于数字信号处理的IPCORE，但使用是需要收费的，而且费用较高。通过自己编程实现信号处理可以节省大量的成本，本设计就是采用这一方法。
1 器件选择
采用的FPGA是ALTERA的EP1C6T144C8，EP1C6T144C8有144个引脚，最多可使用98个I/O口，支持JTAG调试，AS、PS下载，内有5 980个LES，总的RAM位数是92 160 bit，内嵌有两个锁相环，四个全局时钟，内核电压为1.5 V，输出I/O口驱动电压为3.3 V，支持LVDS、TTL、CMOS等电平传输。采用的配置芯片为EPCS1。这是一款低端的FPGA芯片，具有较高的性价比。
A/D采样芯片是TLC5510，这是一款高速A/D采样芯片，它是一种采用CMOS工艺制造的8位高阻抗并行A／D芯片，能提供的最大采样率为20 MS/s。由于TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。
2 FPGA内部电路
FPGA内部电路分为两大模块。
(1)采样控制：TLC5510的采样控制引脚只有两个，一个是时钟端CLOCK，一个是输出使能端
(低电有效)。根据TLC5510采样控制的时序电路，芯片CLOCLK的下降沿采样，经过2.5个周期的延迟后，得到采样结果，这时如果使能端有效，则数据送到输出端，所以控制起来比较简单。但是要注意的是采样时钟和FFT时钟之间的匹配。
根据TLC5510的采样时序特点，在设计采样控制模块时可以只控制采样时钟，而输出始终使能，就能够完成采样控制。
控制FPGA内部RAM的写入时钟，当完成一次采样后，将TLC5510数据端的数据取走，这样就完成了采样到写入的过程。
分频模块将时钟分到和系统时序相适合的时钟。采样控制电路将采样结果由八位变为十六位，存入RAM中。
(2)FFT模块：设计中的FFT模块实现的是256点的定点FFT运算，采用基-2频率抽选法，图1为8位算法的流程示意图，256点算法与其类似。
FFT模块主要包括四个单元：蝶形变换单元，地址发生单元，RAM块选择单元（其中包括旋转因子表），时钟控制单元。图2为整体电路结构。
①蝶形变换单元：在蝶形变换电路中，最为核心的就是乘法器和加法器，可以通过对QUARTUS的宏单元的调用，实现乘法运算，也可以自己编写乘法器，利用Verilog的for语句实现16×16无符号乘法器的部分原码如下：
always@(data1，data2)
begin
data_out=32′d0;//初始赋0
for(a=5′d0;a<=5′d15;a=a+5′d1)
if(data2[a]==1)
data_out=data_out+(data1< end 蝶形变换的输出写入RAM作为下一级变换的输入。 图3为蝶形变换单元电路。 图3 蝶形变换单元电路图 ②地址发生单元：这个单元的编写具有一定的灵活性，在编程过程中采用的编写方法不同，综合出来的电路使用寄存器数量也不一样。地址发生单元总共有八级地址。第二级地址发生单元的部分原码如下（图4为第二级地址发生单元仿真结果）： always@(posedge clk) begin if(a3==1′d1) begin a3=1′d0；//参数a3控制RAM数据和旋转因子表数据时序配合 case(a2)//地址分为两大块块，分别为前后128个数，参数a2控制这两块的启动 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块选择单元：FPGA上含有4KB RAM块，可以使用三组RAM块实现流水线(这里命名为RAM1，RAM2，RAM3）。时序开始时控制单元将采样结果写入RAM1，FFT单元运算RAM2中数据,输出控制单元将上一次的FFT运算结果输出。当整个电路完成一次采集分析后，启动RAM选择模块，三组RAM的控制单元进行轮换，采样电路将采样结果写入RAM3，FFT运算电路则使用RAM1，对采样数据进行运算，而数据输出电路控制RAM2将FFT的结果输出。如此往复循环，实现流水线作业。下面是其中RAM选择单元的部分代码： always@(posedge f or posedge star)//f上升沿表示一次FFT完成 begin//开始启动信号和FFT完成信号共同控制选择转换参数 if(star) a2=2′d1； else if(a2==2′d2) a2=2′d0； else a2=a2+2′d1； end //下为控制转换参数控制选择 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时钟控制单元：这个单元主要是一些时钟分频电路，控制整个电路的时序，不同模块单元之间启动的时序不一样，时钟频率也不相同。在编写时钟控制单元时，最主要是实现各模块时序配合，以防止出现竞争冒险。 除了上述几个主要的模块单元外，还需要生成一个旋转因子表。旋转因子表可以有多种生成方法，考虑到芯片资源，本设计选择使用MATLAB生成旋转因子表，通过调用兆函数，将生成的旋转因子表固化到FPGA的ROM中。 当整个FFT模块数据处理完之后，就可以逆序输出。 设计完成后，可以在RAM块中初始化数据得到仿真结果，对设计进行初步检验，图4(b)是在RAM中初始化一个数据表后的FFT模块仿真结果(q1实部，q2虚部)。 图5为MATLAB仿真，与QUARTUS仿真结果相比较，可以看到结果吻合地相当好。 3 速度分析 系统采用单乘法器结构，使用锁相环倍频时钟作为总时钟输出，当总时钟为200 MHz时，完成一次FFT处理的时间为21.4 μs，4 278个时钟信号，在流水线作业下，可以完成A/D采样速率高达12 MHz的数据处理。 本设计使用芯片逻辑资源的的77%，近4 600个逻辑单元，还使用了约39 000 bit的RAM。实验证明，用低端的FPGA产品实现高速采样控制和FFT处理是可行的。在实现过程中只要采用较好的设计思路，控制好寄存器的数目，便可以在芯片允许的资源范围内达到所需要的信号处理目的，实现设计要求。 参考文献 [1] 吴继华.Altera FPGA/CPLD设计（高级篇）.北京：人民邮电出版社，2005. [2] 程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社，2001. [3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京：北京航空航天大学出版社，2003.
