兩種基于FPGA的軟件濾波方法

　　基于FPGA的軟件濾波算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路已由早期的分立元件逐漸發(fā)展成集成電路，對(duì)電路設(shè)計(jì)的要求越來越高。尤其是可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得以硬件為載體、以計(jì)算機(jī)軟件為開發(fā)環(huán)境的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法日趨成熟?？删幊踢壿嬈骷O(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大、可在線修改、效率高等優(yōu)點(diǎn)深受廣大電子設(shè)計(jì)人員青睞。目前，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列( FPGA)芯片是電壓敏感型芯片，基于可重構(gòu)CMOS-SRAM單元結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)具有易失性，工作在低電壓狀態(tài)，易受干擾，尤其在工控、軍用場(chǎng)合，外界電磁環(huán)境惡劣，電路耦合、空間輻射的雜波脈沖均會(huì)對(duì)FPGA工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

　　干擾脈沖和毛刺信號(hào)是影響FPGA穩(wěn)定工作的主要因素，為了保證輸入信號(hào)每變化一次，電路只做出一次正確的響應(yīng)，必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波可以采用硬件濾波和軟件濾波兩種方法。與硬件濾波相比，軟件濾波不需要硬件電路的支持，從而可以減少元器件的使用，降低成本，更重要的是軟件濾波更易于修改，所以常采用軟件濾波的方法來實(shí)現(xiàn)電路中的信號(hào)濾波問題。通過VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波功能，介紹了延時(shí)濾波法和判決濾波法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了上述兩種濾波方法的可靠性。

　　1延時(shí)濾波

　　延時(shí)濾波法的濾波原理是對(duì)輸入信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行鑒別，對(duì)那些與真實(shí)信號(hào)的寬度相差很大的干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。具體的實(shí)現(xiàn)流程為在檢測(cè)到輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生變化后，延時(shí)一段時(shí)間T，脈沖寬度小于延時(shí)時(shí)間T的輸入信號(hào)被認(rèn)為是干擾信號(hào)，將其濾除;脈沖寬度大于延時(shí)時(shí)間T的輸入信號(hào)則被認(rèn)為是真實(shí)信號(hào)，將其輸出。針對(duì)不同脈沖寬度的干擾信號(hào)，可以通過設(shè)置不同的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)延時(shí)，從而達(dá)到有效濾波的目的。

　　1. 1延時(shí)時(shí)間T的確定

　　延時(shí)時(shí)間T取決干擾信號(hào)的脈沖寬度T‘。延時(shí)時(shí)間T太短( T>T‘)，會(huì)造成資源的浪費(fèi)，降低電路的工作效率。

　　這里以某型號(hào)的扭子開關(guān)輸入信號(hào)為例來介紹如何確定延時(shí)時(shí)間T.由于扭子開關(guān)的機(jī)械觸點(diǎn)存在彈性作用，當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)時(shí)，都不可避免地要在觸點(diǎn)閉合及斷開的瞬間產(chǎn)生一連串的抖動(dòng)。為了能夠更準(zhǔn)確地估測(cè)撥動(dòng)開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的干擾脈沖寬度T'，可以用示波器對(duì)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)這種扭子開關(guān)信號(hào)的抖動(dòng)時(shí)間不會(huì)超過1.5ms.圖1為沒有經(jīng)過濾波處理的開關(guān)信號(hào)波形。

　　圖1中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每格代表50μs，縱坐標(biāo)表示電壓，每格表示1 V.從圖中可以明顯看出，在開關(guān)信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間不到1. 5 ms.這里根據(jù)實(shí)際情況，確定延時(shí)時(shí)間T = 2 ms.

　　1. 2延時(shí)濾波程序設(shè)計(jì)

　　延時(shí)濾波程序采用一個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器的模值N取決于延時(shí)時(shí)間T和采樣時(shí)鐘CLK的周期TCLK.若計(jì)數(shù)器的初始值為0時(shí)，則N = T /TCLK-1.圖2為編寫延時(shí)濾波程序的流程圖。

　　圖1未經(jīng)過濾波處理的開關(guān)信號(hào)

　　圖2延遲濾波程序流程圖

　　當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)(這里以由‘0’變到‘1’為例)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)到N時(shí)，如果開關(guān)信號(hào)仍保持為變化之后的狀態(tài)‘1’，則輸出‘1’，否則，認(rèn)為這是一個(gè)干擾脈沖，將其濾除。

　　當(dāng)采樣時(shí)鐘的頻率為5 kHz時(shí)，TCLK = 0. 2 ms，要實(shí)現(xiàn)2 ms的延時(shí)時(shí)間，若計(jì)數(shù)器初始值為0，那么計(jì)數(shù)器模值N = 9.具體的VHDL語言程序進(jìn)程如下：