FPGA為測試測量儀器帶來獨特性能

　　電子行業(yè)的設計工程師，在很多應用領域包括通信、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，并且和FPGA供應商在研發(fā)領域深入合作，甚至分享一些IP(知識產(chǎn)權)，雙方從測量和調(diào)試的角度積累了大量的經(jīng)驗。實際的設計往往會綜合使用FPGA和ASIC(專用芯片)來達到最佳效果，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計。

　　世上沒有完美的儀器，其設計總是在某一方面優(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現(xiàn)、哪些功能通過硬件實現(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。本文給出兩個例子，一是中端示波器技術創(chuàng)新集大成產(chǎn)品MSO9000A的設計，另一是MIPID-PHY協(xié)議分析設計。

　　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)團隊在設計前經(jīng)多個回合討論，最終達成共識。其中重要的兩點是：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，每當有新的協(xié)議技術出現(xiàn)，該儀器必須可以升級以支持新的標準;2.協(xié)議觸發(fā)必須實現(xiàn)實時性，保證不漏失信號。

　　要實現(xiàn)協(xié)議觸發(fā)的實時性，是決不可以用Windows甚至Linux軟件來實現(xiàn)的，同時又要求產(chǎn)品支持不同的協(xié)議種類。因此，MSO9000A設計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FPGA芯片，對串行總線提供實時時鐘恢復，并檢測串行數(shù)據(jù)包結構，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)議實現(xiàn)硬件觸發(fā)，將來新的協(xié)議出現(xiàn)時，也可以通過升級來支持。用戶設置特定的協(xié)議觸發(fā)條件，MSO9000示波器通過硬件來確定何時進行觸發(fā)，并執(zhí)行重復測量或單次測量。

　　圖1給出了該設計的照片，該產(chǎn)品采用20層電路板結構，用了27個專用芯片，3個FPGA，集成到一個采集板中，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負責捕獲和處理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800Mbps，而N4861A中的FPGA則負責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用，越來越受到重視。要想讓測量儀器具有獨特之處，模擬電路部分固然重要，但在有些方面FPGA的應用可能會成為決定產(chǎn)品是否能為用戶接受的關鍵。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)的應用趨勢在如下幾個方面。1.復雜觸發(fā)電路的實現(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處理可兼顧實時性和可程控性，先鋒產(chǎn)品如DSA90000A的深存儲專用加速處理芯片;3.復雜運算的處理：均衡和去嵌入等技術在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數(shù)字處理技術。