本文敘述概括了FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，包括，時(shí)鐘樹、FSM、latch、邏輯仿真四個(gè)部分。

　　FPGA的用處比我們平時(shí)想象的用處更廣泛，原因在于其中集成的模塊種類更多，而不僅僅是原來的簡(jiǎn)單邏輯單元（LE）。早期的FPGA相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所有的功能單元僅僅由管腳、內(nèi)部buffer、LE、RAM構(gòu)建而成，LE由LUT（查找表）和D觸發(fā)器構(gòu)成，RAM也往往容量非常小。現(xiàn)在的FPGA不僅包含以前的LE，RAM也更大更快更靈活，管教IOB也更加的復(fù)雜，支持的IO類型也更多，而且內(nèi)部還集成了一些特殊功能單元，包括：

　　DSP：實(shí)際上就是乘加器，F(xiàn)PGA內(nèi)部可以集成多個(gè)乘加器，而一般的DSP芯片往往每個(gè)core只有一個(gè)。換言之，F(xiàn)PGA可以更容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)DSP core功能。在某些需要大量乘加計(jì)算的場(chǎng)合，往往多個(gè)乘加器并行工作的速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)高速乘加器。

　　SERDES：高速串行接口。將來PCI-E、XAUI、HT、S-ATA等高速串行接口會(huì)越來越多。有了SERDES模塊，F(xiàn)PGA可以很容易將這些高速串行接口集成進(jìn)來，無需再購(gòu)買專門的接口芯片。

　　CPU core：分為2種，軟core和硬core。軟core是用邏輯代碼寫的CPU模塊，可以在任何資源足夠的FPGA中實(shí)現(xiàn)，使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個(gè)軟core，實(shí)現(xiàn)多核并行處理。硬core是在特定的FPGA內(nèi)部做好的CPU core，優(yōu)點(diǎn)是速度快、性能好，缺點(diǎn)是不夠靈活。

　　不過，F(xiàn)PGA還是有缺點(diǎn)。對(duì)于某些高主頻的應(yīng)用，F(xiàn)PGA就無能為力了。現(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往200MHz以上工作頻率就很難實(shí)現(xiàn)了。

　　FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一：時(shí)鐘樹

　　對(duì)于FPGA來說，要盡可能避免異步設(shè)計(jì)，盡可能采用同步設(shè)計(jì)。同步設(shè)計(jì)的第一個(gè)關(guān)鍵，也是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，就是時(shí)鐘樹。一個(gè)糟糕的時(shí)鐘樹，對(duì)FPGA設(shè)計(jì)來說，是一場(chǎng)無法彌補(bǔ)的災(zāi)難，是一個(gè)沒有打好地基的大樓，崩潰是必然的。

　　具體一些的設(shè)計(jì)細(xì)則：

　　1）盡可能采用單一時(shí)鐘；

　　2）如果有多個(gè)時(shí)鐘域，一定要仔細(xì)劃分，千萬小心；

　　3）跨時(shí)鐘域的信號(hào)一定要做同步處理。對(duì)于控制信號(hào)，可以采用雙采樣；對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)，可以采用異步fifo。需要注意的是，異步fifo不是萬能的，一個(gè)異步fifo也只能解決一定范圍內(nèi)的頻差問題。

　　4）盡可能將FPGA內(nèi)部的PLL、DLL利用起來，這會(huì)給你的設(shè)計(jì)帶來大量的好處。

　　5）對(duì)于特殊的IO接口，需要仔細(xì)計(jì)算Tsu、Tco、Th，并利用PLL、DLL、DDIO、管腳可設(shè)置的delay等多種工具來實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單對(duì)管腳進(jìn)行Tsu、Tco、Th的約束往往是不行的。

　　可能說的不是很確切。這里的時(shí)鐘樹實(shí)際上泛指時(shí)鐘方案，主要是時(shí)鐘域和PLL等的規(guī)劃，一般情況下不牽扯到走線時(shí)延的詳細(xì)計(jì)算（一般都走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和局部時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，時(shí)延固定），和ASIC中的時(shí)鐘樹不一樣。對(duì)于ASIC，就必須對(duì)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、布線、時(shí)延計(jì)算進(jìn)行仔細(xì)的分析計(jì)算才行。

　　FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之二：FSM

　　FSM：有限狀態(tài)機(jī)。這個(gè)可以說時(shí)邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。幾乎稍微大一點(diǎn)的邏輯設(shè)計(jì)，幾乎都能看得到FSM。FSM分為moore型和merly型，moore型的狀態(tài)遷移和變量無關(guān)，merly型則有關(guān)。實(shí)際使用中大部分都采用merly型。

　　FSM通常有2種寫法：?jiǎn)芜M(jìn)程、雙進(jìn)程。

　　初學(xué)者往往喜歡單進(jìn)程寫法，格式如下：

　　always @（ posedge clk or posedge rst ）

　　begin

　　if （ rst == 1‘b1 ）

　　FSM_status <= 。。.。。.;

　　else

　　case （ FSM_status ）

　　。。.。。.;

　　endcase

　　end

　　簡(jiǎn)單的說，單進(jìn)程FSM就是把所有的同步、異步處理都放入一個(gè)always中。

　　FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之三：latch

　　首先回答一下：

　　1）stateCAD沒有用過，不過我感覺用這個(gè)東東在構(gòu)建大的系統(tǒng)的時(shí)候似乎不是很方便。也許用system C或者system Verilog更好一些。

　　2）同步、異步的叫法是我所在公司的習(xí)慣叫法，不太對(duì)，不過已經(jīng)習(xí)慣了，呵呵。

　　這次講一下latch。latch的危害已經(jīng)說過了，這里不再多說，關(guān)鍵講一下如何避免。

　　1）在組合邏輯進(jìn)程中，if語句一定要有else！并且所有的信號(hào)都要在if的所有分支中被賦值。

　　always @（ * ） begin

　　if （ sig_a == 1‘b1 ） sig_b = sig_c;

　　end

　　這個(gè)是絕對(duì)會(huì)產(chǎn)生latch的。

　　正確的應(yīng)該是

　　always @（ * ） begin

　　if （ sig_a == 1’b1 ） sig_b = sig_c;

　　else sig_b = sig_d;

　　end

　　另外需要注意，下面也會(huì)產(chǎn)生latch。也就是說在組合邏輯進(jìn)程中不能出現(xiàn)自己賦值給自己或者間接出現(xiàn)自己賦值給自己的情況。

　　always @（ * ） begin

　　if （ rst == 1‘b1 ） counter = 32’h00000000;

　　else counter = counter + 1;

　　end

　　但如果是時(shí)序邏輯進(jìn)程，則不存在該問題。

　　2）case語句的default一定不能少！

　　原因和if語句相同，這里不再多說了。

　　需要提醒的是，在時(shí)序邏輯進(jìn)程中，default語句也一定要加上，這是一個(gè)很好的習(xí)慣。

　　3）組合邏輯進(jìn)程敏感變量不能少也不能多。

　　這個(gè)問題倒不是太大，verilog2001語法中可以直接用 * 搞定了。順便提一句，latch有弊就一定有利。在FPGA的LE中，總存在一個(gè)latch和一個(gè)D觸發(fā)器，在支持DDR的IOE（IOB）中也存在著一個(gè)latch來實(shí)現(xiàn)DDIO。不過在我們平時(shí)的設(shè)計(jì)中，對(duì)latch還是要盡可能的敬而遠(yuǎn)之。

　　FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之四：邏輯仿真

　　仿真是FPGA設(shè)計(jì)中必不可少的一步。沒有仿真，就沒有一切。仿真是一個(gè)單調(diào)而繁瑣的工作，很容易讓人產(chǎn)生放棄或者偷工減料的念頭。這時(shí)一定要挺住！仿真分為單元仿真、集成仿真、系統(tǒng)仿真。

　　單元仿真：針對(duì)每一個(gè)最小基本模塊的仿真。單元仿真要求代碼行覆蓋率、條件分支覆蓋率、表達(dá)式覆蓋率必須達(dá)到100％！這三種覆蓋率都可以通過MODELSIM來查看，不過需要在編譯該模塊時(shí)要在Compile option中設(shè)置好。

　　集成仿真：將多個(gè)大模塊合在一起進(jìn)行仿真。覆蓋率要求盡量高。

　　系統(tǒng)仿真：將整個(gè)硬件系統(tǒng)合在一起進(jìn)行仿真。此時(shí)整個(gè)仿真平臺(tái)包含了邏輯周邊芯片接口的仿真模型，以及BFM、Testbench等。系統(tǒng)仿真需要根據(jù)被仿真邏輯的功能、性能需求仔細(xì)設(shè)計(jì)仿真測(cè)試?yán)头抡鏈y(cè)試平臺(tái)。系統(tǒng)仿真是邏輯設(shè)計(jì)的一個(gè)大分支，是一門需要專門學(xué)習(xí)的學(xué)科。

Xilinx針對(duì)平板顯示器LED背光的FPGA解決方案

　　1.概述

　　Kintex-7 FPGA 和 Artix-7 提供的功能使得平板顯示器制造商能夠提高圖像質(zhì)量、降低功耗和削減成本。

　　2.方案特性

　　為 LED 背光控制器實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的局部調(diào)光和照明補(bǔ)償算法。

　　生產(chǎn)具有不同的 LED 區(qū)域數(shù)量和 LED 布局的直接型照明顯示器，同時(shí)調(diào)整照明以便與不同供應(yīng)商生產(chǎn)的面板的物理特性相匹配。

　　為顯示器添加 3D 功能。

　　與利用上一代 FPGA 實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)相比，其系統(tǒng) FPGA 功耗降低了32%

　　與利用上一代 FPGA 實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)相比，其系統(tǒng) FPGA 成本削減了30%

　　利用 Artix-7 FPGA 實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)將 LED 背光控制器的功耗降低 63%

　　靈活的并行/串行接口技術(shù)利用 PCI Express、USB 2.0、DisplayPort 和 V-by-One 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芯片-芯片和板-板通信

　　3.75Gbps V-by-One@HS 的 16 或 32 信道 （per Thine’s spec）

　　5.4Gbps DisplayPort 1.2 的多端口 （per VESA spec）

　　1，866Mbps DDR3 存儲(chǔ)器接口實(shí)現(xiàn)了基于商用存儲(chǔ)器的視頻數(shù)據(jù)緩沖器

　　1.6Gbps LVDS I/O 降低了并行接口內(nèi)的跡線數(shù)量

　　芯片級(jí)封裝實(shí)現(xiàn)了基于4層 PCB 的低成本生產(chǎn)

　　方案框圖：

　　3.業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)解決方案

　　Kintex?-7 FPGA 能夠提供高信號(hào)處理能力和低功耗，從而滿足各種應(yīng)用需求，包括：

　　1）LED 背光平板顯示器和 3DTV

　　2）LTE 基帶

　　3）攜帯型超音波裝置

　　4）多模射頻

　　5）高端消費(fèi)類數(shù)碼單反相機(jī)

　　6）Video-over-IP 網(wǎng)關(guān)

　　相關(guān)芯片介紹：賽靈思Kintex-7 FPGA 系列芯片簡(jiǎn)介

基于京微雅格低功耗FPGA的8b/10b SERDES的接口設(shè)計(jì)

　　串行接口常用于芯片至芯片和電路板至電路板之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著系統(tǒng)帶寬不斷增加至多吉比特范圍，并行接口已經(jīng)被高速串行鏈接，或SERDES （串化器/ 解串器）所取代。起初， SERDES 是獨(dú)立的ASSP 或ASIC 器件。在過去幾年中已經(jīng)看到有內(nèi)置SERDES 的FPGA 器件系列，但多見于高端FPGA芯片中，而且價(jià)格昂貴。

　　本方案是以CME最新的低功耗系列FPGA的HR03為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) 8/10b的SerDes接口，包括SERDES收發(fā)單元，通過完全數(shù)字化的方法實(shí)現(xiàn)SERDES的CDR（Clock Data Recovery，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)），完成100~200Mhz的板間SERDES單通道通信，該SERDES接口方案具有成本低、靈活性高、研發(fā)周期短等 特點(diǎn)。

　　1硬件接口：

　　硬件的接口如上圖所示，主要包括發(fā)送與接收模塊。

　　發(fā)送模塊包括8b/10b編碼器，并串轉(zhuǎn)換器，鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器和發(fā)送器，接收模塊包括 8b/10b解碼器，Comma 檢測(cè)器，串并轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器（CDR）和接收器。

　 　8b/10b編碼器用于將從上層協(xié)議芯片發(fā)送過來的字節(jié)信號(hào)映射成直流平衡的 10 位8b/10b 編碼，并串轉(zhuǎn)換用于將 10 位編碼結(jié)果串行化，并串轉(zhuǎn)換所需的高速、低抖動(dòng)時(shí)鐘由鎖相環(huán)提供，發(fā)送器用于將 CMOS 電平的高速串行碼流轉(zhuǎn)換成抗噪聲能力較強(qiáng)的差分信號(hào)，經(jīng)背板連接或光纖信道發(fā)送到接收機(jī)。

　　在接收端，接收器將接收到的低擺幅差分信號(hào)還 原為 CMOS 電平的串行信號(hào)，CDR 從串行信號(hào)中抽取時(shí)鐘信息，完成對(duì)串行數(shù)據(jù)的最佳采樣，串并轉(zhuǎn)換利用 CDR 恢復(fù)的時(shí)鐘，將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成 10 位的并行數(shù)據(jù)，Comma 檢測(cè)器檢測(cè)特殊的 Comma 字符，調(diào)整字邊界，字邊界正確的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過 8b/10b 解碼，還原為字節(jié)信號(hào)，傳送到上層協(xié)議芯片，完成整個(gè)信息傳輸過程。

　　實(shí)際的設(shè)計(jì)中，CDR部分是由純邏輯電路完成的，為設(shè)計(jì)的核心的部分，下面將介紹數(shù)字CDR在HR03的實(shí)現(xiàn)方案。

　　2數(shù)字CDR：

　　CDR模塊作用是從數(shù)據(jù)中恢復(fù)嵌入的時(shí)鐘，然后接收器按照恢復(fù)的時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)位對(duì)齊并通過comma進(jìn)行字對(duì)齊。最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b解碼，供系統(tǒng)使用。

　 　本方案采用同頻多相的時(shí)鐘采樣方法，具體實(shí)現(xiàn)過程利用PLL產(chǎn)生4個(gè)時(shí)鐘頻率相同，相位相差90度的時(shí)鐘，分別為clk0、clk90、clk180、 clk270，這四個(gè)時(shí)鐘輸出完全同步，利用4個(gè)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以獲得4倍過采樣的效果，具體的實(shí)現(xiàn)過程如下圖所示：

　　在數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)時(shí)，將到來的數(shù)據(jù)分別輸入到四個(gè)觸發(fā)器，分別用4個(gè)不同的相位進(jìn)行采樣，要注意保證從輸入引腳到四個(gè)觸發(fā)器的延遲基本一致。

　 　第一列觸發(fā)器的觸發(fā)分別由時(shí)鐘CLK0、CLK90、CLK180、CLK270的上升沿觸發(fā)，按照這樣的方式來觸發(fā)就可以得到四個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。這樣就 將原始時(shí)鐘周期分成了四個(gè)單獨(dú)的90度的區(qū)域，如果系統(tǒng)時(shí)鐘為200MHz，上圖所示的電路就相當(dāng)于產(chǎn)生了800MHz 的采樣速率。

　　 僅通過一階的觸發(fā)器，輸出的采樣數(shù)據(jù)存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需對(duì)采樣點(diǎn)作進(jìn)一步的處理。這里可將四個(gè)采樣點(diǎn)通過進(jìn)一步的觸發(fā)，除掉亞穩(wěn)態(tài)的問題，從而使采 樣點(diǎn)移到下一個(gè)相同的時(shí)鐘域。通常，亞穩(wěn)態(tài)的去除要經(jīng)過兩三級(jí)的處理，這就使得在有效數(shù)據(jù)輸出前會(huì)有數(shù)位無效的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采樣的第一個(gè)階段，電路檢測(cè)數(shù) 據(jù)線上數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)數(shù)據(jù)有效后，輸出高電平來指示采樣點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸。

　 　因?yàn)樽罱K有四個(gè)輸出，所以需要一個(gè)復(fù)用器來選擇數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘的對(duì)應(yīng)關(guān)系如上圖所示，其對(duì)應(yīng)關(guān)系分為4種情況，每種情況下對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的采樣 時(shí)鐘，系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)邊沿位置信息的判斷，來確定哪路時(shí)鐘為最佳采樣時(shí)鐘，并利用復(fù)用器從選定的時(shí)鐘域中選擇數(shù)據(jù)位，例如檢測(cè)電路確定從時(shí)鐘域A中采樣的 數(shù)據(jù)有效，那么將時(shí)鐘域Ａ中采樣的數(shù)據(jù)通過輸出端輸出。

　　3結(jié)束語：

　　通過對(duì)純數(shù)字電路的CDR電路，在沒有硬核的支持下，完成了FPGA上SERDES的接口設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)的傳輸測(cè)試，在HR03的FPGA上，可完成100~200Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。

　　作者：京微雅格系統(tǒng)應(yīng)用工程師 易晶晶

基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)方案

　　智能監(jiān)控機(jī)器人是近年來機(jī)器人應(yīng)用工程中一項(xiàng)前沿性的題目，智能化探測(cè)小車是智能行走機(jī)器人的一種。智能監(jiān)控機(jī)器小車就是針對(duì)上述情況，在參考 了目前大多數(shù)智能機(jī)器人的基礎(chǔ)上，以降低成本為原則設(shè)計(jì)的。小車具備溫濕度和環(huán)境監(jiān)測(cè)、無線通信、躲避障礙物以及無線遙控等功能。此智能監(jiān)控機(jī)器小車與目 前已有的同類設(shè)計(jì)相比，有性價(jià)比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

　 　整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)送端（智能小車部分）和接收端（控制臺(tái)：控制和顯示部分）組成，如圖1所示。系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、動(dòng)力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、CCD圖像傳感器模塊、 LCD顯示、溫度和濕度測(cè)量電路和供電系統(tǒng)等組成，整個(gè)系統(tǒng)的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484為核心，在Altera公司的 QuartusⅡ和SoPC Builder開發(fā)環(huán)境中完成。根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)添加所需要的外圍模塊并生成NiosⅡCPU。

　　1．1 供電系統(tǒng)

　　小車安裝了兩塊充電電池，分別為FPGA開發(fā)板（FPGA控制電路）和小車運(yùn)動(dòng)提供能量，電池置于車身底部。

　　1．2 傳感器系統(tǒng)

　 　系統(tǒng)采用了6個(gè)紅外對(duì)射傳感器，通過FPGA配置的NiosⅡCPU來檢測(cè)傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車躲避障礙物的功能。漫反射型紅外對(duì)射傳感器也稱光電開關(guān)， 是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，多用于檢測(cè)障礙物。原理是由光電開關(guān)輻射出來的調(diào)制紅外光束被檢測(cè)物體反射回來，紅外線經(jīng)同步選通接收，由電子開 關(guān)線路驅(qū)動(dòng)回路，從而來檢測(cè)物體的有或無。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)模式。這種電路模塊體積小，信號(hào)容易 轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電平。

　　1．3 動(dòng)力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　本小車有左右輪兩個(gè)電機(jī)及龜機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū) 動(dòng)電路采用了CT Microelecttonics公司的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，最高支持50 V電壓，最大電流為5 A，滿足大功率電動(dòng)機(jī)的要求，外圍電路簡(jiǎn)單，同時(shí)，由于該芯片為雙路結(jié)構(gòu)，分別控制左右電動(dòng)機(jī)，增加了電路的可靠性，減少了復(fù)雜性。電機(jī)控制采用PWM脈 沖寬度調(diào)制方式來控制汽車的前進(jìn)速度。由NiosⅡCPU寫入控制字，可得到不同占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此PWM信號(hào)送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制端來調(diào)節(jié)速 度。

　　1．4 小車自動(dòng)避障系統(tǒng)

　　小車自動(dòng)避障系統(tǒng)采用Verilog HDL語言編寫驅(qū)動(dòng)電路。該模塊（見圖2中的MOTOR）和一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器（見圖2中的select_2）相連來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障與人工遙控之間的切換。當(dāng)小 車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出低電平時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器將把該模塊的輸出作為電機(jī)的控制指令。這樣設(shè)計(jì)的好處在于設(shè)計(jì)具有響應(yīng)迅速，不需要NiosⅡ CPU參與，提高了CPU處理濕度、溫度數(shù)據(jù)并控制無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的效率。該邏輯電路的工作原理是根據(jù)紅外傳感器發(fā)回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯判斷來控制電機(jī) 的工作狀態(tài)。

　　1．5 小車的人工控制

　　小車的人工控制和自動(dòng)避障之間的轉(zhuǎn)換由一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器控制，當(dāng)小車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出高電平時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器將把無線模塊所發(fā)送過來的指令作為電機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的無線控制。

　　1．6 溫度和濕度測(cè)量

　 　在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將DS18B20的1，3引腳分別接于FPGA板的GND 和+3．3 V管腳，2引腳接FPGA的I／O腳，傳輸控制及數(shù)據(jù)信號(hào)。DS18B20最高可用12位表示溫度值，最高5位為符號(hào)位。

　　采用HS1101濕度傳感器，具有響應(yīng)速度快，工作溫區(qū)寬（-40～+100℃），測(cè)量范圍大（0％～100％RH），可靠性高，穩(wěn)定性好，功耗低，外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

　　工作原理為：用HS1101傳感器與TLC555構(gòu)成多諧振蕩器，HS1101傳感器內(nèi)部電容會(huì)隨濕度的變化而變化，從而使輸出頻率發(fā)生變化。編寫VHDL程序在FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)可精確的測(cè)出頻率值，通過輸出頻率與濕度的關(guān)系便可得到濕度值。

　　1．7 無線收發(fā)系統(tǒng)

　 　系統(tǒng)采用PTR4000無線嵌入式模塊，工作頻率為2．4 GHz，最高工作速率可達(dá)1 Mb／s，高效GMSK調(diào)制，且有CRC檢錯(cuò)功能。具有低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，體積小等優(yōu)點(diǎn)。主要有三種工作模式，分別為：配置模式、 ShockBurst發(fā)送模式和ShockBurst接收模式。

　　2 軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試

　 　采用NiosⅡ進(jìn)行C語言編程。NiosⅡ集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是NlosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在Nios ⅡIDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。NiosⅡIDE是基于開放式的、可擴(kuò)展Eclipse IDE project工程以及EclipseC／C++開發(fā)工具（CDT）工程，NiosⅡIDE為GCC編譯器提供了一個(gè)圖形化用戶界面，可以支持標(biāo)準(zhǔn)C。 NiosⅡIDE編譯環(huán)境自動(dòng)地生成一個(gè)基于用戶特定系統(tǒng)配置（SoPC Builder生成的SoPC文件）的makefile，有利于程序的開發(fā)。

　 　NiosⅡIDE包含一個(gè)強(qiáng)大的、在GNU調(diào)試器基礎(chǔ)之上的軟件調(diào)試器——GDB。完成軟件代碼的編寫后，可以對(duì)代碼進(jìn)行仿真和調(diào)試。Nios-Ⅱ IDE提供了一個(gè)方便的閃存編程方法。任何連接到FPGA的兼容通用閃存接口（CFI）的閃存器件都可以通過NiosⅡIDE閃存編程器來燒結(jié)。針對(duì)本設(shè) 計(jì)及應(yīng)用，編寫了系統(tǒng)控制程序和LCD顯示程序。流程圖如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)調(diào)試

　 　小車系統(tǒng)需要測(cè)試能否準(zhǔn)確接收控制臺(tái)發(fā)送的指令并控制小車運(yùn)動(dòng)或停止，以及向前、后、左、右轉(zhuǎn)向。還要測(cè)試主控機(jī)能否準(zhǔn)確接收小車采集到的溫度以及濕度 信息，能否正確顯示。經(jīng)過多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)由于系統(tǒng)程序是采用收發(fā)循環(huán)轉(zhuǎn)換的模式，為了讓兩個(gè)系統(tǒng)能夠收到對(duì)方發(fā)的信息，對(duì)小車的遙控與自動(dòng)部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的 分化。自動(dòng)情況下，控制臺(tái)為主要接收端，小車為主要發(fā)送端，一般情況下小車發(fā)送數(shù)據(jù)到控制臺(tái)，需要自動(dòng)到遙控的轉(zhuǎn)換時(shí)，通過在延時(shí)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行中斷來實(shí)行從 自動(dòng)到遙控的轉(zhuǎn)換；在遙控狀態(tài)下，控制臺(tái)為主要發(fā)射端，小車為接收端，一般情況下控制臺(tái)發(fā)送小車行進(jìn)指令到小車，需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，通過溫度、濕度采集按鍵 來對(duì)小車進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換，同時(shí)小車發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，之后再次轉(zhuǎn)為接收模式。這樣做之后使小車與控制臺(tái)的軟件部分清晰明了，小車的行進(jìn)以及采集顯示數(shù)據(jù)能夠 實(shí)時(shí)的進(jìn)行。

　　濕度測(cè)量系統(tǒng)需要測(cè)試是否能夠精準(zhǔn)輸出頻率值。采用芯片LM555手冊(cè)上推薦的電路，由于元件的誤差，使輸出的頻率并不精 確，經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)的濕度儀進(jìn)行比對(duì)，通過參數(shù)調(diào)整，用直線做近似，最后得到的頻率值誤差在幾赫茲（頻率范圍是6 008～7 314Hz），經(jīng)過預(yù)算得到很準(zhǔn)確的濕度值。開始求濕度值時(shí)用的是解一元三次方程的方法，由于計(jì)算量大，對(duì)小車的行進(jìn)會(huì)有很大影響，后來在小車端只是把小 車采集到的頻率值通過紅外天線傳輸?shù)街骺囟?，并將原先的小車自?dòng)避障由NiosⅡCPU控制改為由Verilog編寫的硬件模塊控制，最后在控制臺(tái)做濕度 值的計(jì)算。這樣的更改既減少了小車NiosⅡCPU的工作量，同時(shí)由于小車的自動(dòng)避障改為由獨(dú)立的Verilog模塊控制，運(yùn)行起來很流暢。

　 　對(duì)于無線收發(fā)系統(tǒng)，要測(cè)試其可靠性以及發(fā)送或接收的信息的準(zhǔn)確性。測(cè)試方法是單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)軟核下載到SoPC中，并編寫一段程序用于測(cè)試是否正確寫入 配置控制字，是否能夠進(jìn)行ShockBurst模式的接收或發(fā)送。問題是對(duì)天線各模式時(shí)序的把握，一開始寫的程序總是不能正確寫入配置字，反復(fù)調(diào)試，并用 數(shù)字示波器觀察寫入配置字的瞬間過程以及各延時(shí)的時(shí)間，最后測(cè)試成功，并把發(fā)送或接收的狀態(tài)用LED顯示出來，每發(fā)送或接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包就讓LED閃一 下。

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)以FPGA嵌入NiosⅡ軟核處理器為核心，輔以必要的外圍 電路，構(gòu)成了高度集成化的片上系統(tǒng)。另外，SoPC系統(tǒng)的柔性配置，使得可以基于此系統(tǒng)擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器和多路輸出。設(shè)計(jì)的小車具有較強(qiáng)的避障能力，且能通 過接收端對(duì)其進(jìn)行方便的控制，溫度和濕度采集均達(dá)了較高的精度，并且能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，無線收發(fā)模塊的有效范圍最遠(yuǎn)可達(dá)300 m，可應(yīng)用于較為惡劣的環(huán)境，可代替人進(jìn)行溫度和濕度的實(shí)地檢測(cè)。

基于SoC FPGA進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)及電機(jī)控制

　　工業(yè)市場(chǎng)的近期發(fā)展推動(dòng)了對(duì)具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設(shè)計(jì)人員更喜歡網(wǎng)絡(luò)通信而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這意味著可能需要額外的控制器用于通信，進(jìn)而間接增加了BOM成本、電路板尺寸和相關(guān)NRE（一次性工程費(fèi)用）成本。

　　總體擁有成本用于分析和估計(jì)購(gòu)置的壽命周期成本，它是所有與設(shè)計(jì)相關(guān)的直接和間接成本的擴(kuò)展集，包括工程技術(shù)成本、安裝和維護(hù)成本、材料清單（BOM）成本和NRE（研發(fā)）成本等。通過考慮系統(tǒng)級(jí)因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續(xù)的長(zhǎng)期盈利能力。

　 　美高森美公司（Microsemi）提供具有硬核ARM Cortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA器件，它采用成本優(yōu)化的封裝，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度范圍，能夠在沒有冷卻風(fēng)扇的極端條件下可靠地運(yùn)行。 SmartFusion2 SoC FPGA架構(gòu)將一個(gè)硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構(gòu)相集成，可以實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性和更快的上市時(shí)間。美高森美為電機(jī)控制算法開發(fā)提供了具有多個(gè)多軸電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)和IP的生態(tài)系 統(tǒng)，使由多處理器解決方案轉(zhuǎn)向單一器件解決方案（即SoC FPGA）更加容易。

　　影響TCO的因素

　　以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

　　（1）長(zhǎng)壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場(chǎng)部署之后進(jìn)行重新編程，這延長(zhǎng)了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谛庐a(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)更快的上市時(shí)間。

　?。?）BOM.美高森美基于閃存技術(shù)的FPGA在上電時(shí)無需啟動(dòng)PROM或閃存MCU來加載FPGA，它們是零級(jí)非易失性/即時(shí)啟動(dòng)器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無需附加上電監(jiān)控器，這是因?yàn)殚W存開關(guān)不會(huì)隨電壓而改變。

　 ?。?）上市時(shí)間。OEM廠商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時(shí)間。經(jīng)過驗(yàn)證的IP模塊可大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。目前已經(jīng)可以提供多個(gè)構(gòu) 建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時(shí)更多的模塊正在開發(fā)中。SoC表現(xiàn)出的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是可以用于調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。為了調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)，可以通過用 于調(diào)試的高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)從FPGA中提取信息。

　?。?）工程工具成本。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開發(fā)的免費(fèi)Libero SoC IDE，僅在開發(fā)高端器件時(shí)才需要付費(fèi)。

　　工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)電機(jī)控制器件和一個(gè)通信器件構(gòu)成，電機(jī)控制器件包含了驅(qū)動(dòng)逆變器的邏輯和保護(hù)邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠?qū)\(yùn)行時(shí)間參數(shù)進(jìn)行初始化和修改。

　　圖1：典型工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　在典型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖1）中，可能使用多個(gè)控制器器件來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)邏輯。一個(gè)器件可能執(zhí)行與電機(jī)控制算法相關(guān)的計(jì)算，第二個(gè)器件可能運(yùn)行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個(gè)器件則可能運(yùn)行與安全性相關(guān)的任務(wù)。

　　多軸電機(jī)控制

　 　傳統(tǒng)上，工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用使用微控制器或DSP來運(yùn)行電機(jī)控制所需的復(fù)雜算法，在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動(dòng)中，F(xiàn)PGA與微控制器或DSP一起使用，用于數(shù) 據(jù)采集和快速作用保護(hù)。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護(hù)邏輯，F(xiàn)PGA傳統(tǒng)上并未在實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法方面發(fā)揮主要作用。

　　使用微控制器或DSP實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法的方法并不容易擴(kuò)展到多個(gè)以獨(dú)立速度運(yùn)行的電機(jī)（多軸電機(jī)控制），美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來實(shí)現(xiàn)集成且完整的多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制（圖2）。

　　圖2：美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用單一器件來實(shí)現(xiàn)完整的多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

　 　控制方面可以分為兩個(gè)部分。一個(gè)部分用于運(yùn)行磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法、速度控制、電流控制、速度估計(jì)、位置估計(jì)和PWM生成；另一個(gè)部分則包括速度 曲線、負(fù)載特性、過程控制和保護(hù)（故障和報(bào)警）。執(zhí)行FOC算法屬于時(shí)間關(guān)鍵型，需要在極高的采樣速率下進(jìn)行（在微秒范圍），特別是針對(duì)具有低定子電感的 高速電機(jī)。這使得在FPGA中實(shí)現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過程控制、速度曲線和其他保護(hù)無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執(zhí)行（在毫秒范圍），并且 能夠在內(nèi)置Cortex-M3子系統(tǒng)中進(jìn)行編程。

　　晶體管開關(guān)周期在驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時(shí)間比開關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計(jì)算第二個(gè)電機(jī)的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

　　圖3：永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制（FOC）框圖。

　?。?）電機(jī)控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場(chǎng)定向控制算法，這一部分將會(huì)討論這些模塊，它們作為IP核提供。

　 　● PI控制器。比例積分（PI）控制器是用于控制系統(tǒng)參數(shù)的反饋機(jī)制，它具有兩個(gè)用于控制控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的可調(diào)增益參數(shù)-比例和積分增益常數(shù)。PI控制器的 比例分量是比例增益常數(shù)和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。這兩個(gè)分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不 穩(wěn)定，因?yàn)閿?shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實(shí)現(xiàn)方案都包括一個(gè)抗飽卷機(jī)制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜摹Ｃ?高森美的PI控制器IP模塊使用hold-on-saturation（保持飽和）算法用于抗飽卷。這個(gè)模塊還提供附加特性以設(shè)置最初的輸出值。

　 　● 磁場(chǎng)定向控制（FOC）。FOC是通過獨(dú)立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來為電機(jī)提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機(jī)（PMSM）中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化。因 此，為電機(jī)提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計(jì)算密集型算法，但是美高森美電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)已經(jīng)針對(duì)器件資源的最優(yōu)使用而構(gòu)建。FOC算法包括 Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

　　● 角度估計(jì)。FOC的一個(gè)輸入是轉(zhuǎn)子角度。精確確定轉(zhuǎn)子角度對(duì)于確保低功耗是必不可少的。增添確定位置和速度的物理傳感器會(huì)增加系統(tǒng)的成本并降低可靠性。無 傳感器算法有助于消除傳感器，但是增加了計(jì)算復(fù)雜性。美高森美針對(duì)無傳感器控制提供了兩個(gè)角度計(jì)算算法IP模塊-一個(gè)基于Luenberger觀測(cè)器，另 一個(gè)基于直接反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨(dú)參考設(shè)計(jì)。

　　● PLL.PLL用于同步信號(hào)，在多個(gè)應(yīng)用中有用，例如逆變器的角度估計(jì)和電網(wǎng)同步。

　　● 速率限制器。速率限制器模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果電機(jī)所需的速度突然改變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)變到所需的速度。速率限制器模塊可以進(jìn)行配置以控制改變的速率。

　　● 空間矢量調(diào)制?？臻g矢量調(diào)制模塊改善了直流總線利用率，并消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。因?yàn)榫w管開啟/關(guān)斷時(shí)間比脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，短脈沖會(huì)導(dǎo)致不正確的開關(guān)行為。

　 　● 三相PWM生成。在所有計(jì)算的最后，可以得到三相電機(jī)電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號(hào)。PWM模塊為六個(gè)（三個(gè)高側(cè)和三個(gè)低側(cè)）晶體管產(chǎn) 生開關(guān)信號(hào)，并且具有死區(qū)時(shí)間和延遲時(shí)間插入等先進(jìn)特性?？删幊痰乃绤^(qū)時(shí)間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災(zāi)難性短路情況?？删幊痰难舆t時(shí)間插入特性使 ADC測(cè)量與PWM信號(hào)生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時(shí)包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工 作。

　?。?）在SoC中調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。通常，在微控制器上調(diào)試設(shè)計(jì)比在FPGA上進(jìn)行調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單一些。在SoC中，可以利用 FPGA的高性能，同時(shí)保持在微控制器中更快速調(diào)試的優(yōu)勢(shì)。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)可以通過AMBA APB或AXI總線彼此進(jìn)行通信。這樣可以把測(cè)試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，從而幫助實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用 于實(shí)時(shí)調(diào)試。固件代碼可以單步運(yùn)行，在代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

　　基于SmartFusion2 SoC FPGA的多軸電機(jī)控制解決方案通過USB連接至主機(jī)PC，并與圖形用戶界面（GUI）通信，進(jìn)行啟動(dòng)/停止電機(jī)，設(shè)置電機(jī)速度值和其他系統(tǒng)參數(shù)，描繪多達(dá)四個(gè)系統(tǒng)變量，例如電機(jī)速度、電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子角度（圖4）。

　　圖4:GUI的屏幕截圖-繪制內(nèi)部參數(shù)：轉(zhuǎn)子角度（綠色）、Valpha（紅色）、Vbeta（黑色）、電機(jī)速度（藍(lán)色）。

　 ?。?）生態(tài)系統(tǒng)。美高森美提供一組豐富的IP庫，包括前面討論過的數(shù)種電機(jī)控制功能。這些模塊可以輕易定制，并可以在美高森美器件中移植。使用 Libero SoC軟件的Smart Design工具，這些模塊可以采用圖形方式配置和連接在一起。借助于這些IP模塊，設(shè)計(jì)人員能夠顯著減少在FPGA中實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法所需的時(shí)間。

　　這些IP模塊已在以高達(dá)30，000r/min轉(zhuǎn)速和200kHz開關(guān)頻率運(yùn)行的電機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。

　　工業(yè)通信協(xié)議

　 　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)是通過使用更快的網(wǎng)絡(luò)通信替代點(diǎn)至點(diǎn)通信。實(shí)現(xiàn)此類高速通信需要支持更高的帶寬，這對(duì)于同時(shí)處理電機(jī)控制算法的微控制器或DSP來說 并不容易。在大多數(shù)情況下，會(huì)使用一個(gè)附加的微控制器或FPGA來處理與每個(gè)電機(jī)控制器的通信。通常使用的基于以太網(wǎng)的協(xié)議有PROFINET、 EtherNet/IP和EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)仍然在演進(jìn)。其他的協(xié)議包括了CAN和Modbus.在這種情況下使用SoC的優(yōu)勢(shì)，是在單一 FPGA平臺(tái)上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　根據(jù)終端系統(tǒng)目標(biāo)，可以通過重用IP和協(xié)議棧（用于通信）來優(yōu)化系統(tǒng)的成本，或者通過仔細(xì)地在硬件（FPGA）和軟件（ARMCortex-M3子系統(tǒng)）中劃分功能來優(yōu)化性能。

　　美高森美的SmartFusion2 FPGA具有內(nèi)置CAN、高速USB和千兆以太網(wǎng)模塊作為微控制器子系統(tǒng)的一部分。高速SERDES模塊用于實(shí)現(xiàn)涉及串行數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。

　　安全性

　 　SmartFusion2 SoC FPGA器件具有數(shù)項(xiàng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全特性。DPA認(rèn)證反篡改保護(hù)和加密特性等設(shè)計(jì)安全特性能夠幫助保護(hù)客戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。SoC FPGA器件還包括數(shù)據(jù)安全特性，例如ECC硬件加速器、AES-128/256和SHA-256服務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)安全性，可以使用EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構(gòu)件，EnforcIT IP包括一套可定制內(nèi)核（作為網(wǎng)表），有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對(duì)策注入到固件中，可以獨(dú)立地使用，或者用作EnforcIT的提 升。

　　實(shí)現(xiàn)協(xié)議的靈活性可讓設(shè)計(jì)人員使用多個(gè)安全層來認(rèn)證從中央監(jiān)控控制器進(jìn)入的信息。

　　可靠性

　　在多個(gè)市場(chǎng)中安全標(biāo)準(zhǔn)的增長(zhǎng)推動(dòng)了高可靠性的需求，SmartFusion2經(jīng)設(shè)計(jì)滿足高可用性、安全關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的需求，以下是SmartFusion2 SoC FPGA提供的某些可靠性特性。

　 　（1）單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）免疫零FIT率配置。高可靠性運(yùn)作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構(gòu)具有不受α或中子輻 射的免疫能力，因?yàn)樗褂瞄W存來配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管?；赟RAM的FPGA在海平面上的FIT（時(shí)間失效）率可能為1k~4k，在高 于海平面5，000英尺的位置會(huì)高得多。高可靠性應(yīng)用可接受的FIT率低于20，這使得SmartFusion2最適合這些應(yīng)用。

　?。?）EDAC保護(hù)。SmartFusion2器件具有錯(cuò)誤檢測(cè)與校正（EDAC）控制器，可防止在微控制器子系統(tǒng)（MSS）存儲(chǔ)器中發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

　 　（3）無外部配置器件。在具有大量FPGA的復(fù)雜系統(tǒng)中，使用外部配置器件會(huì)降低可靠性。在上電時(shí)，F(xiàn)PGA需花費(fèi)時(shí)間來進(jìn)行配置，這在使用多個(gè) FPGA器件的應(yīng)用中帶來了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包含了配置存儲(chǔ)器，它提供了在器件一上電時(shí)就開啟的附加優(yōu)勢(shì)。

　　（4）軍用溫度級(jí)器件。SmartFusion2 SoC FPGA器件針對(duì)軍用溫度條件進(jìn)行了全面測(cè)試。軍用級(jí)器件具有10k和150k邏輯單元，并具有允許訪問密碼加速器的安全特性和數(shù)據(jù)安全特性。

　　總結(jié)

　 　美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用經(jīng)過高度優(yōu)化的電機(jī)控制IP模塊和經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，提供了數(shù)種降低工業(yè)設(shè)計(jì)TCO的特性。從微控制器遷移的客戶將能夠重用某些舊代碼，而 FPGA設(shè)計(jì)人員將能夠利用FPGA架構(gòu)和ARM Cortex-M3子系統(tǒng)來創(chuàng)建一個(gè)高效的架構(gòu)，允許電機(jī)控制模塊和通信模塊同時(shí)駐留在單一器件中。ARM Cortex-M3微控制器子系統(tǒng)的存在，可以實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)和智能分區(qū)，而針對(duì)性能和成本做優(yōu)化。微控制器子系統(tǒng)還可以在運(yùn)行時(shí)間中注入和記錄數(shù)據(jù)，加 速調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。SmartFusion2平臺(tái)還提供了實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議的廣泛選項(xiàng)。它同時(shí)提供用于設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全的多項(xiàng)安全特性，還提供了滿足高可 靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件備有強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持，能夠幫助客戶以最低TCO來開發(fā)工業(yè)解決方案。

利用FPGA實(shí)現(xiàn)無線分布式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　近些年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，分布式無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始興起，并迅速的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在一些地形復(fù)雜，不適合人類出現(xiàn)的區(qū)域需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的情況下，都可以適當(dāng)?shù)倪x擇無線分布式 采集來進(jìn)行?，F(xiàn)有的無線分布式采集系統(tǒng)中，往往使用單片機(jī)、DSP等作為系統(tǒng)的主控控制單元。但是由于其自身工作特點(diǎn)，往往對(duì)于精確的定時(shí)控制以及并行處 理能力上比FPGA弱。隨著FPGA等可編程邏輯器件的發(fā)展，為無線數(shù)據(jù)可靠傳輸提供了很好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。采用FPGA作為時(shí)序控制和信號(hào)處理的處理器，將 使系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔、可靠、靈活，可有效的縮短開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。

　　為此，基于CycloneIV+STM32設(shè)計(jì)了一種新 型的無線分布式采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高可靠和同步傳輸。設(shè)計(jì)主要由3大部分組成：編碼器、譯碼器、無線收發(fā)電臺(tái)。在對(duì)編碼器、譯碼器同步校準(zhǔn)后，對(duì)待發(fā) 送數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼，并轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后，在串行數(shù)據(jù)幀頭加入Barker碼來實(shí)現(xiàn)幀的同步，并使用2條互為備份的數(shù)據(jù)傳送通道同時(shí) 發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收端檢測(cè)到barker碼后，本地對(duì)互為備份的雙通道數(shù)據(jù)進(jìn)行viterbi譯碼（本文設(shè)計(jì)的viterbi譯碼器采用并行結(jié)構(gòu)，大大 的降低譯碼時(shí)間）。譯碼結(jié)束后，本地對(duì)雙通道數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，并做出判選，最后執(zhí)行相應(yīng)指令。并在規(guī)定時(shí)間給出相應(yīng)反饋信號(hào)。設(shè)計(jì)的無線采集系統(tǒng)， 即使某一數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)少量錯(cuò)碼，系統(tǒng)仍能有效的恢復(fù)出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)添加了監(jiān)控模塊，實(shí)時(shí)備份上傳的數(shù)據(jù)并監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)不能正常上傳， 則啟用備用模塊保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠和同步傳輸，而且具有很好的適用性，可廣泛應(yīng)用工業(yè)中。

　　2 無線分布式采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　2.1 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介

　　無線分布式采集系統(tǒng)包括編碼器、譯碼器（編碼器、譯碼器硬件完全相同，只是配置邏輯不同，可配置為編碼器、譯碼器、中繼站）和無線通信電臺(tái)。如圖1所示，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的一對(duì)一式分布式系統(tǒng)。

　　圖1 無線分布式采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　編碼器作為上位機(jī)與譯碼器之間的橋梁，通過USB/RS485通道進(jìn)行發(fā)送、接收命令和數(shù)據(jù)。譯碼器接收編碼器發(fā)來的命令進(jìn)行配置和采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至DDR2中。譯碼器收到上傳命令后，上傳數(shù)據(jù)至編碼器。

　 　編碼器/譯碼器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)主控單元由FPGA完成。FPGA選用Altera公司的EP4CGX30F407，邏輯單元為 29440個(gè)，80個(gè)18×18乘法器，多達(dá)290個(gè)用戶自定義IO。STM32作為監(jiān)控和備用單元組成系統(tǒng)的基本架構(gòu)，STM32F407ZG系列是基 于高性能的ARM CortexTM-M4F的32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，該STM32F407ZG系列采用高速嵌入式存儲(chǔ)器（多達(dá)1 MB閃存，高達(dá)192 KB的SRAM），擁有3個(gè)12位ADC，2個(gè)DAC，1個(gè)低功耗RTC，12個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)通用32位定時(shí)器。人機(jī)交互部分由16X2液晶顯 示字符模塊和4個(gè)按鍵組成，其主要功能是通過按鍵對(duì)基站編號(hào)設(shè)置并顯示在LCD上。無線模塊選用WSN-03系列無線模塊作為收發(fā)平臺(tái)，工作電壓為5 V，傳輸速率和工作頻段等都可配置。目前傳輸速率最大為115 200b ps，工作頻為433 MHz可調(diào)。無線模塊與FPGA主要以RXD/A，TXD/B，NRST（復(fù)位控制），SET（設(shè)置模塊參數(shù)），SLP（休眠控制）信號(hào)線連接。GPS模 塊選用VKl6U6進(jìn)行定位，與FPGA以UART接口連接，波特率定位9600 bps。ADC選用基于△-Σ技術(shù)的32 bits高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADSl282，采樣信號(hào)電平范圍：差分輸人一2.5~+2.5 V。單個(gè)譯碼器有6個(gè)采集通道，以2 k采樣率，采樣時(shí)常16 S來計(jì)算，單個(gè)譯碼器純數(shù)據(jù)量為6×2 k×16×24-6144 Kbits.考慮到編碼器，一次采樣，8個(gè)基站的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后數(shù)據(jù)總量為98 304 Kbits，所以編碼器和譯碼器需增加l片Micron Technology公司的MT47H256M8HG-37E IT（256Meg×8）作為緩存空間。由于DDR2 SDRAM需要特定的控制讀寫時(shí)序，系統(tǒng)直接采用Quartus II自帶的“DDR2 SDRAM High-Performance Controller”IP CORE。USB部分由2個(gè)通道組成，一個(gè)是由FPGA、CY7C68013和USB接口組成；另一個(gè)由STM32（自帶USB驅(qū)動(dòng)）和USB接口組成。 同時(shí)本設(shè)計(jì)中還添加了RS485串口，使整個(gè)系統(tǒng)與上位機(jī)能保持實(shí)時(shí)通信，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制提供了可能，并能保持系統(tǒng)更新。

　　圖2 系統(tǒng)框架

　　2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

　 　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程為：同步校準(zhǔn)譯碼器，設(shè)置各個(gè)譯碼器接收命令后的延時(shí)-編碼器配置采集參數(shù)、命令-譯碼器采集數(shù)據(jù)保存至DDR2中一各譯碼器分時(shí)接收數(shù) 據(jù)上傳命令并上傳數(shù)據(jù)-編碼器將數(shù)據(jù)匯總保存至DDR2-數(shù)據(jù)收集齊后通過USB/RS485上傳至上位機(jī)。譯碼器節(jié)點(diǎn)配合計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢 采集，它包含了無線傳輸模塊和與計(jì)算機(jī)通信的USB接口。STM32將組幀后的數(shù)據(jù)備份并實(shí)時(shí)監(jiān)控FPGA，如在規(guī)定時(shí)間或未能按指令進(jìn)行工 作，STM32將替代FPGA并使FPGA進(jìn)入斷電狀態(tài)。

　　2.3 系統(tǒng)組幀格式

　　編碼器與譯碼器之間是一對(duì)多的關(guān)系，譯碼器分時(shí)上傳數(shù)據(jù)，譯碼器有2個(gè)通道，譯碼器有唯一的配置編號(hào)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖3所示。數(shù)據(jù)幀中除20字節(jié)有效數(shù)據(jù)之外，還包括組號(hào)、目的編號(hào)等。

　　圖3 編碼器、譯碼器間數(shù)據(jù)幀格式

　 　為了改進(jìn)接收信號(hào)質(zhì)量，本系統(tǒng)引入信道編碼的方法來改善信道質(zhì)量。具體如圖4所示。發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀、并串轉(zhuǎn)換、卷積編碼、加入同步幀信息后，把數(shù) 據(jù)發(fā)送至無線通信電臺(tái)進(jìn)行調(diào)制。接收端的無線通信電臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后發(fā)送數(shù)據(jù)至接收端的FPGA.接收端的FPGA檢測(cè)到幀同步信息后對(duì)接下來的數(shù)據(jù)保 存，并進(jìn)行Viterbi譯碼。FPGA對(duì)雙通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余校驗(yàn)，并選擇正確的數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)操作。

　　圖4 無線數(shù)據(jù)傳輸

　　3 無線分布式采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　3.1 可靠性

　　待發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)卷積編碼，互為備份的雙通道發(fā)送，Viterbi譯碼，冗余校驗(yàn)，數(shù)據(jù)判選，系統(tǒng)能夠很好的進(jìn)行無線收發(fā)。

　　3.1.1 卷積編碼

　 　數(shù)據(jù)組幀完成后，由低位至高位進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，進(jìn)行卷積編碼。卷積編碼是一種糾錯(cuò)信道編碼，是由連續(xù)的輸入信息序列經(jīng)編碼后得到連續(xù)輸出的編碼序列口。以 （n，k，m）來描述卷積碼，k為每次輸入到卷積編碼器的bit數(shù)，行為每k元組碼字對(duì)應(yīng)的卷積碼輸出n元組碼字，m為編碼儲(chǔ)存度。卷積編碼生成的n元組 元不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)系，還與前面m一1個(gè)輸入的k元組有關(guān)系。本系統(tǒng)采用（2，1，4）卷積編碼器，如圖5所示。圖中“+”代表異或。每bit經(jīng)編碼后 都有2 bit輸出（C1，C2）。

　　圖5 （2，1，4）卷積編碼器

　　3.1.2 Viterbi譯碼

　 　接收端有2個(gè)接收通道，互不干擾。接收端對(duì)2個(gè)通道同時(shí)譯碼。譯碼采用Viterbi譯碼。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。 Viterbi譯碼根據(jù)最大似然算法規(guī)則，能達(dá)到最佳譯碼，特別適合向前糾錯(cuò)。以本設(shè)計(jì)為例，根據(jù)圖5，編碼器4個(gè)延時(shí)狀態(tài)（0，1）組成整個(gè)編碼器的 16個(gè)狀態(tài)（D4D3D2D1），每個(gè)狀態(tài)在編碼器輸入1或0時(shí)，跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)。并且輸出也隨之改變。譯碼就是編碼的逆過程。算法規(guī)定任意t時(shí)刻收到 的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行32次路徑值計(jì)算、16次比較，比較后每個(gè)狀態(tài)只保存一個(gè)路徑值，為接下來計(jì)算減少了一半的運(yùn)算量。反復(fù)208次，從16條幸存路徑中選出 一條路徑值最小的，反推出這條路徑，得出相應(yīng)的譯碼輸出。考慮到每次譯碼后，譯碼器都能回到初始狀態(tài)，所以源數(shù)據(jù)最后加了8 bit的“0”。本設(shè)計(jì)采用并行處理結(jié)構(gòu)，經(jīng)214個(gè)周期還原出源碼。

　　在設(shè)計(jì)FPGA邏輯時(shí)，基本采用多條并行的流水線技術(shù)，譯碼部分 包含4個(gè)子模塊：加比選模塊、回溯模塊、存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘控制模塊。路徑值的計(jì)算和比較在3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，4個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行，大大的降低了譯碼時(shí)間。另 外，為了提高FPGA效率，系統(tǒng)加入采樣觸發(fā)信號(hào)，保證系邏輯能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3.1.3 數(shù)據(jù)判選

　　經(jīng)譯碼后，接收端 已接收到2組互為備份的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)踐證明，簡(jiǎn)單的并聯(lián)冗余能大大的提高系統(tǒng)的可靠性。具體選擇流程如圖6所示。2路數(shù)據(jù)經(jīng)Viterbi譯碼后，開始接收 一幀數(shù)據(jù)，并寫入RAM中，同時(shí)計(jì)算CRC校驗(yàn)、幀完整性檢測(cè)、ID是否符合本地。上述檢測(cè)都沒問題時(shí)，對(duì)2路幸存路徑的度量值進(jìn)行比較，選擇值小的通道 作為最終數(shù)據(jù)。

　　圖6 數(shù)據(jù)的選擇

　　3.2 同步的實(shí)現(xiàn)

　 　為了保證編碼器和譯碼器之間能嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)同步，數(shù)據(jù)幀需要加入同步幀。實(shí)現(xiàn)幀同步的方法通常有2種：起止同步法和集中式插入同步法。起止式同步比較簡(jiǎn)單， 一般在數(shù)據(jù)碼元的開始和結(jié)束位置加入特定的起始和停止脈沖來表示數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。集中插入式同步法中插人的同步碼要求在接收端進(jìn)行同步識(shí)別時(shí)出現(xiàn)偽同 步的概率盡可能低，并且要求該碼具有尖銳的自相關(guān)特性以便識(shí)別。7位巴克碼作為幀同步碼，其局部自相關(guān)函數(shù)為：

　　由上公式計(jì)算可知，7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)在j一0時(shí)出現(xiàn)尖銳的單峰特性。設(shè)計(jì)中采用2組同步幀頭作為同步碼，同步幀頭由7位巴克碼和1 bit的0組成。

　 　到現(xiàn)在為止，待發(fā)數(shù)據(jù)bit數(shù)為：208×2+8×2-432 bits。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，接收端檢測(cè)幀同步信息，同步信息為2組11100100組成。每組同步信息高7位與7位巴克碼相比，允許出錯(cuò)位數(shù)在1位以內(nèi)。設(shè) P為碼元錯(cuò)誤概率，行為同步碼組的碼元數(shù)，m為判決其允許碼組中的錯(cuò)誤碼元最大數(shù)，在本系統(tǒng)中行n=7，m=1。在P=0.01時(shí)，單一barker碼的 漏同步概率為：

　 　當(dāng)2組同步幀都滿足時(shí)，幀同步建立，接收端保 存接下來的數(shù)據(jù)。無線通信電臺(tái)與FPGA以rs485連接，如圖7所示，F(xiàn)PGA檢測(cè)X是否為“0”，當(dāng)檢測(cè)到“0”，不接收端對(duì)接下來的數(shù)據(jù)X與本地巴 克碼對(duì)應(yīng)位進(jìn)行位異或運(yùn)算。當(dāng)檢測(cè)1 byte barker碼，錯(cuò)1位以內(nèi)時(shí)，發(fā)出一value脈沖。當(dāng)檢測(cè)到2個(gè)value脈沖時(shí)，說明同步已建立，接收端開始存儲(chǔ)接下來的數(shù)據(jù)。

　　圖7 barler碼識(shí)別

　　4 系統(tǒng)監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)

　 　STM32與FPGA連接如圖8所示，由于ARM與FPGA的相互通信直接影響著控制器的性能，所以該并行總線的設(shè)計(jì)就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。該總線 可以包括芯片的地址總線（ADDR［021］）、數(shù)據(jù)總線（DB［015］）、控制總線、復(fù)位信號(hào)（nRST）以及中斷信號(hào)線（INT），其中控制總線包 括使能信號(hào)（nOE）、片選信號(hào)（nCS）、讀信號(hào)（nRD）、寫信號(hào)（nWE），這樣做的好處是，將FPGA芯片存儲(chǔ)器化，即STM32可通過對(duì)特定地 址的訪問來控制FPGA工作，并且可通過共同的復(fù)位信號(hào)將STM32與FPGA芯片同時(shí)復(fù)位，盡量避免總線競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　圖8 STM32與FPGA連接

　 　STM32與FPGA同時(shí)接收命令，在解析完命令后，F(xiàn)PGA應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)H認(rèn)組幀完成時(shí)，發(fā)出INT信號(hào)至黜2申請(qǐng)中斷。如果 STM32在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到FPGA發(fā)來的INT信號(hào)，將開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)未能接收INT信號(hào)，STM32將停止FPGA供電電源工作，由 STM32代替FPGA工作，保證整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定進(jìn)行。

　　結(jié)論

　 　在無線分布式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了基于卷積編碼、Viterbi譯碼的編碼和互為備份的雙通道傳輸方案，利用了FPGA內(nèi)豐富的邏輯資源以及存儲(chǔ)資 源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離同步可靠傳輸。加入備份數(shù)據(jù)通道后，通過FPGA內(nèi)部邏輯控制，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)及自動(dòng)判選，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性和可靠性。相比于“備份-重傳”等機(jī)制，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，即使某一通道不能正常工作，系統(tǒng)仍能正常進(jìn)行。該無線分布采集系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)在同步 觸發(fā)和數(shù)據(jù)量不大情況下的傳輸。本文提出的互為備份的雙通道編解碼、數(shù)據(jù)冗余傳輸機(jī)制，亦可應(yīng)用相關(guān)無線傳輸領(lǐng)域，以提高遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

　　文章詳情：利用FPGA實(shí)現(xiàn)無線分布式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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