隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們面臨的數(shù)字信號處理任務(wù)越來越繁重,對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的要求也越來越高。數(shù)字信號處理功能一般在兩類可編程平臺上實現(xiàn):數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。DSP是一種特殊的微處理器,計算功能很強大,可以用C語言或匯編語言進行編程,能實現(xiàn)復(fù)雜的信號處理算法;而FPGA是一種配置能力很強的硬件,可以用VHDL或VerilogHDL來編程,它的實時性很好,能并行進行大數(shù)據(jù)量的底層算法處理。
FPGA在紅外熱像儀中被采用
筆者主要從事紅外熱像儀的研制工作。紅外熱像儀是一種成像設(shè)備,它和CCD(電荷耦合器件)相機類似,都是通過探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號,再進行信號處理和顯示。不同的是CCD相機探測到的是可見光,而紅外熱像儀探測到的是紅外線。紅外探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為模擬信號,為了進行后續(xù)的數(shù)字信號處理,需要對模擬信號進行數(shù)字采樣。設(shè)計中用到了兩片以上的14bit的AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換芯片,由于DSP管腳資源有限,而且對各個轉(zhuǎn)換芯片的訪問時間是分時進行的,因此它需要花大量的時間與各個芯片進行數(shù)據(jù)交換,相應(yīng)用于計算的時間大大減少,無法滿足數(shù)據(jù)交換的并行要求。相比較而言,FPGA以其豐富的管腳資源和高實時性滿足了設(shè)計需求,因此紅外熱像儀中多采用FPGA處理平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理。
目前世界上生產(chǎn)FPGA的廠商很多,而Altera和Xilinx兩家就占有60%以上的市場份額,它們生產(chǎn)的FPGA各有優(yōu)劣,筆者主要采用了Altera公司的Stratix系列FPGA來進行設(shè)計。該系列芯片的相關(guān)數(shù)據(jù)在Altera公司的官方網(wǎng)站都有詳細介紹,本文就不再贅述。選用Altera公司的FPGA一方面是由于該芯片具有豐富的硬件資源,另一方面原因是它具有功能強大的開發(fā)軟件QuartusII,非常便于系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計。
QuartusII是Altera公司開發(fā)的進行SoPC(可編程片上系統(tǒng))設(shè)計的綜合性環(huán)境和基本開發(fā)工具,內(nèi)部嵌有綜合器和仿真器,它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境,使設(shè)計者能方便地進行設(shè)計輸入、快速處理和器件編程。同時,它支持第三方綜合工具和仿真工具。Modelsim作為專業(yè)的第三方仿真工具,能有效地彌補QuartusII在仿真速度方面的不足,大大提高產(chǎn)品開發(fā)的速度。
與DSP、微控制器結(jié)合將成主流
Altera公司的Stratix系列或者更高級別的FPGA內(nèi)部都嵌入有DSP內(nèi)核,可以作為CPU來使用。NiosII是Altera公司提供的完整的開發(fā)環(huán)境,可以通過C/C++語言直接對CPU進行編程,并進行編譯和調(diào)試。CPU內(nèi)核可以根據(jù)需要選擇合適的外設(shè)、存儲器和接口。紅外熱像儀通過調(diào)用DSP內(nèi)核的SPI(高速同步串口)總線控制接口控制溫度傳感器,實現(xiàn)了溫度采集功能,通過調(diào)用UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)模塊實現(xiàn)了串口收發(fā)控制功能,編程難度比直接用FPGA進行時序設(shè)計要容易得多。
紅外熱像儀中要用到很多圖像處理算法,直接用FPGA進行時序設(shè)計比較復(fù)雜,需要編寫幾千甚至上萬行代碼。而Matlab是一款功能強大的計算軟件,可以用很少的代碼實現(xiàn)算法設(shè)計和仿真,但是其設(shè)計結(jié)果并不能直接載入FPGA運行。對此,Altera公司開發(fā)了一款系統(tǒng)級設(shè)計工具:DspBuilder,它可以作為Matlab和QuartusII之間的紐帶,將MATLAB環(huán)境下完成的算法轉(zhuǎn)化為HDL語言模塊,QuartusII將這些模塊作為IP核直接調(diào)用,即可進行編譯、鏈接和下載,輕松實現(xiàn)復(fù)雜算法的設(shè)計,大大提高了設(shè)計效率,并且降低了復(fù)雜算法的設(shè)計難度。
FPGA進行程序調(diào)試的過程中經(jīng)常需要對信號波形和延時情況進行驗證,單純通過軟件仿真有時不能完全體現(xiàn)信號在硬件電路中運行的真實情況。QuartusII內(nèi)部集成的嵌入式邏輯分析儀SignalTap是個很實用的解決此問題的工具,它能夠捕獲和顯示設(shè)計中信號的實時狀態(tài)。我們只需要設(shè)置被測試信號、采樣時鐘、采樣模式和采樣深度,在硬件電路通電工作狀態(tài)下即可通過軟件實時觀測到信號波形的變化,從而判斷信號的正確性和準確性,有效地完成程序調(diào)試。
未來FPGA與微控制器的結(jié)合將成為芯片開發(fā)的主流。在SoC設(shè)計中嵌入FPGA就形成了新的IC即可編程系統(tǒng)級集成電路(FPSLIC),現(xiàn)在也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信、網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表等系統(tǒng)中了。把CPU嵌入FPGA中,是眾多FPGA廠商現(xiàn)在的做法,我們使用軟核即SoPC就可以高效完成復(fù)雜設(shè)計,不過希望FPGA在集成CPU內(nèi)核的同時保持高密度、大容量,并且降低功耗,以滿足更高的系統(tǒng)設(shè)計需求。
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