用一個時鐘在FPGA中計算直方圖

直方圖對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的分析通常是一種有用的工具。不過，要從一個直方圖獲得可靠的結(jié)果，必須獲得大量數(shù)據(jù)，通常是要10萬到100萬個點。如果需要分析一個ADC的數(shù)字輸出，可以采用一片FPGA(圖1)。

　　圖中顯示了直方圖、RAM和脈沖發(fā)生器部分，用于捕捉和顯示基于14 位數(shù)據(jù)計算出來的直方圖。RAM塊是FPGA的內(nèi)置RAM，而直方圖塊是用于計算的VHDL(高級設(shè)計語言)代碼?！　碜訟DC的14 位并行數(shù)據(jù)Device_ Data[13..0]進(jìn)入直方圖塊，并進(jìn)入RAM的Rd_Addr輸入端。RAM在其地址位置RAMDataOut[ 15..0]上提供數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)環(huán)回到直方圖塊，將其加1后送至一個16 位數(shù)據(jù)的輸出端DataOut[15..0]。當(dāng)WREN(寫使能)端為邏輯電平1時，數(shù)據(jù)被寫在管腳Wr_Addr[13..0]處的地址。這種方法與數(shù)據(jù)來自Device_Data[13..0]是相同的。

　　RAM從輸入到輸出有一個固定的延遲。即，當(dāng)輸入為Rd_Addr時，經(jīng)過一個固定延遲后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在其輸出端RAMDataOut。這個延遲隨不同FPGA而改變。要注意這個延遲，使得有兩個時鐘的延遲到Device_Data，然后再計算直方圖。RAM中的延遲應(yīng)小于兩個時鐘周期;否則，就可能有數(shù)據(jù)丟失。這個約束限制了Device_Clk的最大頻率。

　　Cntr_Value給出了用于計算直方圖的輸入數(shù)據(jù)數(shù)量。Pulse_Gen塊產(chǎn)生一個脈沖，進(jìn)入輸入端Rst_Cntr，用于復(fù)位計數(shù)器。此時，直方圖部分再次用Cntr_Value的下組輸入數(shù)據(jù)計算直方圖。Cntr_Value為15 位，但可以增加它，獲得更多的直方圖數(shù)據(jù)。

　　Sel_Data與Rst_RAM信號是重置在FPGA RAM中存儲的數(shù)據(jù)。當(dāng)Rst_RAM腳出現(xiàn)高信號時，直方圖塊的DataOut腳的所有位均為0。當(dāng)直方圖塊的Sel_Data輸入腳為高信號時，RAM_Wr_Addr的輸出不是Device_Data，而是一個從0上升至16384的內(nèi)部生成的斜波。直方圖塊不做計算，因為這樣做會重置RAM的地址。

　　圖1，直方圖計算電路從一個FPGA的RAM塊中獲取數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)FPGA完成了直方圖計算時，RAM就可以選擇Sel_ Data為邏輯高，而將保持Rst_ RAM為邏輯低，從而讀取直方圖數(shù)據(jù)。RAM地址中的數(shù)據(jù)順序地退出輸出腳，并且可以將數(shù)據(jù)傳輸給一臺PC。由于所有塊都以一個單時鐘Device_Clk工作，因此本設(shè)計很簡單，有助于滿足時序的約束。可以方便地修改本設(shè)計，從而獲得16 位或12 位數(shù)據(jù)直方圖。