FPGA為測試測量儀器帶來獨(dú)特性能

　　電子行業(yè)的設(shè)計(jì)工程師，在很多應(yīng)用領(lǐng)域包括通信、國防、醫(yī)療和教育等等，都在使用FPGA。在調(diào)試FPGA電路的時(shí)候，他們可能不知道，安捷倫的測量儀器本身也使用了FPGA技術(shù)，并且和FPGA供應(yīng)商在研發(fā)領(lǐng)域深入合作，甚至分享一些IP(知識產(chǎn)權(quán))，雙方從測量和調(diào)試的角度積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際的設(shè)計(jì)往往會綜合使用FPGA和ASIC(專用芯片)來達(dá)到最佳效果，安捷倫在其示波器、邏輯分析儀、脈沖源、誤碼儀等產(chǎn)品中，正是采用這樣的綜合設(shè)計(jì)。

　　世上沒有完美的儀器，其設(shè)計(jì)總是在某一方面優(yōu)化、在某些方面作出妥協(xié)。以基于Windows平臺的示波器為例，哪些功能通過軟件實(shí)現(xiàn)、哪些功能通過硬件實(shí)現(xiàn)，硬件部分是采用專用芯片還是FPGA，這些都是開發(fā)者需要考慮的問題。本文給出兩個(gè)例子，一是中端示波器技術(shù)創(chuàng)新集大成產(chǎn)品MSO9000A的設(shè)計(jì)，另一是MIPID-PHY協(xié)議分析設(shè)計(jì)。

　　MSO9000A是三合一儀器，集示波器、邏輯分析、協(xié)議分析于一體，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)前經(jīng)多個(gè)回合討論，最終達(dá)成共識。其中重要的兩點(diǎn)是：1.示波器功能是基本核心，邏輯分析儀和協(xié)議分析儀是選件，每當(dāng)有新的協(xié)議技術(shù)出現(xiàn)，該儀器必須可以升級以支持新的標(biāo)準(zhǔn);2.協(xié)議觸發(fā)必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，保證不漏失信號。

　　要實(shí)現(xiàn)協(xié)議觸發(fā)的實(shí)時(shí)性，是決不可以用Windows甚至Linux軟件來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)又要求產(chǎn)品支持不同的協(xié)議種類。因此，MSO9000A設(shè)計(jì)者在示波器的前端輸入電路和觸發(fā)電路之間加入了一個(gè)FPGA芯片，對串行總線提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘恢復(fù)，并檢測串行數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，將串行數(shù)據(jù)包內(nèi)容饋送到示波器的觸發(fā)電路，從而使得示波器可基于串行總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)硬件觸發(fā)，將來新的協(xié)議出現(xiàn)時(shí)，也可以通過升級來支持。用戶設(shè)置特定的協(xié)議觸發(fā)條件，MSO9000示波器通過硬件來確定何時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，并執(zhí)行重復(fù)測量或單次測量。

　　圖1給出了該設(shè)計(jì)的照片，該產(chǎn)品采用20層電路板結(jié)構(gòu)，用了27個(gè)專用芯片，3個(gè)FPGA，集成到一個(gè)采集板中，然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸顯示屏后面，最終的MSO9000A產(chǎn)品很薄，集外觀美觀、靈活、多功能特點(diǎn)于一體。

　　圖2給出MIPI-DPHY協(xié)議分析的N4851A硬件電路照片，該電路的作用是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換中心，圖中的FPGA是核心部分，N4851A中的FPGA負(fù)責(zé)捕獲和處理MIPID-PHY串行數(shù)據(jù)，然后再轉(zhuǎn)換成多路低速并行數(shù)據(jù)傳送給邏輯分析儀。該FPGA能捕獲和處理的數(shù)據(jù)速率高達(dá)800Mbps，而N4861A中的FPGA則負(fù)責(zé)將來自邏輯分析儀的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信號。

　　FPGA在測量儀器，尤其是高性能儀器中的應(yīng)用，越來越受到重視。要想讓測量儀器具有獨(dú)特之處，模擬電路部分固然重要，但在有些方面FPGA的應(yīng)用可能會成為決定產(chǎn)品是否能為用戶接受的關(guān)鍵。安捷倫已經(jīng)在一些方面做出示范，由此可以看出FPGA在行業(yè)的應(yīng)用趨勢在如下幾個(gè)方面。1.復(fù)雜觸發(fā)電路的實(shí)現(xiàn)：如串行信號協(xié)議觸發(fā)、頻域觸發(fā)等，先鋒產(chǎn)品如MSO9000A的協(xié)議觸發(fā);2.深存儲數(shù)據(jù)的處理：儀器的存儲深度越來越深是必然趨勢，用FPGA處理可兼顧實(shí)時(shí)性和可程控性，先鋒產(chǎn)品如DSA90000A的深存儲專用加速處理芯片;3.復(fù)雜運(yùn)算的處理：均衡和去嵌入等技術(shù)在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數(shù)字處理技術(shù)。