FPGA器件的開發(fā)平臺與MATLAB接口仿真

引言
現(xiàn)場可編程邏輯門陣列fpga器件的出現(xiàn)是超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。fpga器件集成度高、體積小，具有通過用戶編程實(shí)現(xiàn)專門應(yīng)用功能。它允許電路設(shè)計(jì)者利用基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)平臺，經(jīng)過設(shè)計(jì)輸入、仿真、測試和校驗(yàn)，直到達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。目前使用最多的quartus ii 軟件支持幾乎所有的eda工具，并且可以通過命令行或tcl腳本與第三方eda工具之間進(jìn)行無縫連接。但在很多工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，由fpga器件完成的主程序中只完成大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，程序調(diào)試時(shí)以二進(jìn)制輸出的信號可視性差，給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行仿真、調(diào)試帶來了很多不便。對于很多工程設(shè)計(jì)人員來說matlab是一種熟悉的具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和波形仿真、分析功能的軟件，如果能將fpga與matlab接口，就可以快速、準(zhǔn)確、直觀地對fpga程序進(jìn)行校驗(yàn)和仿真，尤其在波形信號處理等工程應(yīng)用領(lǐng)域具有實(shí)際意義。

quartus ii 開發(fā)軟件

altera公司的quartusii軟件提供了可編程片上系統(tǒng)（sopc）設(shè)計(jì)的一個(gè)綜合開發(fā)環(huán)境。quartus ii 開發(fā)工具人機(jī)界面友好、易于使用、性能優(yōu)良，并自帶編譯、仿真功能。quartusii軟件支持vhdl和verilog硬件描述語言的設(shè)計(jì)輸入、基于圖形的設(shè)計(jì)輸入方式以及集成系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具。quartusii軟件可以將設(shè)計(jì)、綜合、布局和布線以及系統(tǒng)的驗(yàn)證全部都整合到一個(gè)無縫的環(huán)境之中，其中也包括和第三方eda工具的接口。quartusii設(shè)計(jì)軟件根據(jù)設(shè)計(jì)者需要提供了一個(gè)完整的多平臺開發(fā)環(huán)境，它包含整個(gè)fpga和cpld設(shè)計(jì)階段的解決方案。圖1說明了quartusii軟件的開發(fā)流程。

quartusii與matlab的接口實(shí)現(xiàn)

接口原理

vhdl程序從根本上講就是將一些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出預(yù)期的數(shù)據(jù)。quartusii 軟件的波形文件（.vwf文件）可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求靈活輸入。但在大多數(shù)情況下需要仿真的波形數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，這樣的輸入方式就明顯不能滿足仿真的要求了。而上述提到的一些外圍電路的作用也是將需要處理的數(shù)據(jù)輸入到程序中，并將處理過的數(shù)據(jù)輸出到指定的裝置。根據(jù)這一原理，用一個(gè)輸入、輸出寄存器就可以方便的實(shí)現(xiàn)與matlab之間的接口了。quartusii工具中提供了很多種類的寄存器宏模塊，并能根據(jù)用戶的要求進(jìn)行編輯。使用這些宏模塊可以很容易地實(shí)現(xiàn)與matlab之間的接口。下面就是幾種ram宏模塊：

數(shù)據(jù)的輸入

很多fpga程序在仿真時(shí)，需要輸入特定條件下的數(shù)值。程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以在輸入端口前加一個(gè)預(yù)置的存儲器，那么初始數(shù)據(jù)的輸入就變成了該寄存器的初始化。一般情況下，這些初始數(shù)據(jù)很容易用matlab軟件經(jīng)過計(jì)算實(shí)現(xiàn)。quartusii中提供了兩種寄存器的初始文件格式，.mif文件和.hex文件。由matlab生成的數(shù)據(jù)可以方便的根據(jù)指定路徑加載到寄存器模塊中。

數(shù)據(jù)的輸出

數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入的原理是相同的。將寄存器中的.mif文件或.hex文件導(dǎo)出，并加載到matlab中相應(yīng)的變量中，matlab的波形仿真功能就可使設(shè)計(jì)人員方便直觀地觀察程序結(jié)果了，這樣大大地方便了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期對程序進(jìn)行校驗(yàn)。

應(yīng)用舉例

這里以一個(gè)簡單的fft諧波分析過程的設(shè)計(jì)為例，說明如何在fpga設(shè)計(jì)中靈活地應(yīng)用matlab來完成設(shè)計(jì)的初步仿真和驗(yàn)證。fpga的快速運(yùn)算雖然能更好的實(shí)現(xiàn)了fft，但大多數(shù)fft設(shè)計(jì)并不能預(yù)知處理對象的準(zhǔn)確波形，而quartusii更不能提供直觀的結(jié)果觀察。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，在設(shè)計(jì)時(shí)，在輸入、輸出端分別設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存入的時(shí)序可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求靈活控制，存儲需要的數(shù)據(jù)。需要注意的一點(diǎn)就是，對于大量數(shù)據(jù)的波形驗(yàn)證，存儲器的加入會使設(shè)計(jì)的資源變大，初步驗(yàn)證時(shí)需使用比預(yù)計(jì)的容量大的器件。在程序的初步驗(yàn)證之后，就可以在預(yù)定的器件中進(jìn)行編譯配置，然后進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試。 程序設(shè)計(jì)

如圖2所示，程序設(shè)計(jì)大致分為四個(gè)模塊，主程序模塊、輸入存儲器、輸出存儲器以及控制模塊。主程序模塊是fft的設(shè)計(jì)程序，來完成預(yù)期的數(shù)據(jù)處理，而輸入、輸出存儲器則為與matlab的接口程序，控制模塊則控制數(shù)據(jù)的輸入、輸出，也即是接口模塊的控制。

假設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)的a/d接口采樣頻率為50khz，即一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為1000點(diǎn)。在matlab中可以很容易的實(shí)現(xiàn)公式(1)所示的信號的a/d采樣。根據(jù)采樣要求，就可以確定輸入存儲器的容量為12 1000bit。將matlab中生成的目標(biāo)向量以相應(yīng)的二進(jìn)制表示，并導(dǎo)入到該輸入存儲器中，就完成了輸入存儲器的初始化。所得的結(jié)果輸出原理亦同，在matlab中建立大小相當(dāng)?shù)南蛄?，將輸出存儲器中的?shù)據(jù)導(dǎo)入到該向量就可以直觀的形式觀察輸出的結(jié)果。那么設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題主要就集中在了控制模塊的設(shè)計(jì)。該模塊的時(shí)序必須與外圍電路時(shí)序、主程序中的時(shí)序相匹配，以達(dá)到逼真模擬真實(shí)a/d等外圍電路的作用。

任意取兩個(gè)不同的輸入信號如下：

按照上述的程序設(shè)計(jì)流程，可以由fpga快速計(jì)算得到任意波形的fft處理結(jié)果，并以直觀的結(jié)果方便程序設(shè)計(jì)人員的初步程序調(diào)試。

結(jié)論

fpga器件的最大的優(yōu)勢就是具有更快的速度、更靈活的控制方式及現(xiàn)場可編程功能，但處理對象只限于數(shù)字信號，因而給程序的初期調(diào)試帶來了不便。而matlab具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，尤其便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號之間的靈活轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果直觀呈現(xiàn)。仿真結(jié)果證明，將兩種設(shè)計(jì)軟件結(jié)合使用，可以大大地方便工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行初期修正。