徐軍，王華東 發表於 2020-04-11 09:35:18
引言
在許多嵌入式系統的實際應用中，需要擴展FP-GA（現場可編程門陣列）模塊，將CPU實現有困難或實現效率低的部分用FPGA實現，如數位訊號處理、硬體數字濾波器、各種算法等，或者利用FPGA來擴展I／O接口，如實現多路PWM（脈寬調製）輸出、實現PCI接口擴展等。通過合理的系統軟硬體功能劃分，結合優秀高效的FPGA設計，整個嵌入式系統的效率和功能可以得到最大限度的提高。
在電機控制等許多應用場合，需要產生多路頻率和脈衝寬度可調的PWM波形。本文用Altera公司FPGA產品開發工具QuartusⅡ，設計了6路PWM輸出接口，並下載到FPGA，實現與CPU的協同工作。
1、 FPGA概述
PLD（可編程邏輯器件）可分為SPLD（簡單可編程邏輯器件），CPLD（複雜可編程邏輯器件）和FPGA，其實它們只是在起初有一些差別，現在的區別已經比較模糊了，PLD可統稱為FPGA。目前世界上有十幾家生產CPLD／FPGA的公司，知名度較大的有Altera，Xil-inx，Lattice，Actel等，其中Altera和Xilinx佔有了60%以上的市場份額。
Altera公司是最大PLD供應商之一，20世紀90年代以後發展很快。主要產品有：MAX3000／7000、FLEX10K、APEX20K、ACEX1K、StraTIX、Cyclone等。開發軟體為MaxplusⅡ和QuartusⅡ。普遍認為其開發工具MaxplusⅡ和QuartusⅡ是最成功的FPGA開發平臺之一，配合使用Altera公司提供的免費OEM HDL綜合工具可以達到較高的效率。
對於系統設計人員來說，FPGA是一種可以自己編程的晶片。它從晶片製造廠商那裡出來時是內部沒有連線的。用戶可以進行設計輸人（電路圖輸入、狀態機輸入或者HDL輸入）；然後進行仿真和驗證；接著用一些專用軟體（如Synopsys FPGA-Compiler、Synplici-ty Synplify、Examplar Leonardo等）進行邏輯綜合；最後使用各個FPGA廠商自身的後端實現的軟體（如Al-tera Quartus、Xilinx ISE等）進行布局布線，生成一個配置所需設計的電路連線關係的二進位流文件，通過一根連接PC機和FPGA晶片的下載線，將配置文件下載到晶片中。
本文以使用QuartusⅡ軟體設計PWM為例，介紹FPGA設計的流程，它包括設計輸入、約束輸入、邏輯綜合、邏輯驗證（綜合後仿真）、布局布線（器件實現）和器件驗證等幾部分。
2、 多路PWM的設計實現
PWM技術最初是在無線電技術中用於信號的調製，後來在電機調速中得到了很好的應用。在直流伺服控制系統中，通過專用集成晶片或中小規模數字集成電路構成的傳統PWM控制電路往往存在電路設計複雜、體積大、抗幹擾能力差以及設計困難、設計周期長等缺點，因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發展趨勢。它不僅可以使系統體積減小、重量減輕且功耗降低，同時可使系統的可靠性大大提高。隨著電子技術的發展，特別是ASIC（專用集成電路）設計技術的日趨完善，數位化的EDA（電子設計自動化）工具給電子設計帶來了巨大變革，在電機控制等許多應用場合，需要產生多路頻率和脈衝寬度可調的PWM波形，這可通過FPGA豐富的硬體資源和可以配置I／O引腳來實現。嵌入式系統中FPGA的應用設計關鍵是系統軟硬體功能的劃分。
CPU通過數據線向FPGA寫入定時常數控制PWM的頻率、初始相位和佔空比，並通過外部啟動信號控制PWM的啟動。
寫出實現相應功能的Verilog程序描述。部分源程序如下：
QuartusⅡ中新建一個項目／文件時可選的設計輸入（在Software Files和Other Files標籤中還要其他設計輸入方法選擇），該窗口從菜單「File」→「New」打開，圖中顯示了「Device Design files」標籤下的設計輸入方法有AHDL（Altera 公司開發的HDL語言）、方塊圖／原理圖、EDIF、Verilog和VHDL輸入方法。另外在「Software Files『』和」Other Files「標籤下還有TCL語言、波形圖等其他輸入方法。
3、 邏輯仿真和器件驗證
行為級仿真是在HDL原始碼設計完成之後，通過設計測試平臺文件（激勵和測試矢量）來驗證設計的正確性。邏輯仿真是在邏輯綜合之後，對生成的門級網表進行驗證。測試平臺文件與採用行為級仿真的測試平臺文件，這樣能夠保證設計驗證的一致性。並且，邏輯驗證是一種理想的門級網表，不存在延時信息。器件驗證也稱版圖後仿真，它是在FPGA實現之後，提取出門級網表和延時信息進行驗證，測試平臺文件與行為級一樣。器件驗證結果是比較接近真實硬體的結果。完全通過這3層的驗證，基本上可以保證設計的結果與測試平臺文件一致。
行為仿真和器件仿真也可直接在QuartusⅡ中進行，其中輸入激勵波形和輸出觀察節點在QuartusⅡ波形輸入窗口進行設置，在設計通過功能仿真後，需要進一步選擇器件仿真以驗證設計的正確性。器件仿真時包含了所選擇的對應FPGA估算延時或實際延時信息，故仿真速度較功能仿真慢很多。通過仿真可以及早發現設計中的錯誤，並根據具體情況進行修改，包括修改硬體實現架構、設計代碼、約束條件等一個或多個方面。器件仿真通過後，則可以將設計下載到晶片，進行硬體功能驗證。
在564 ps時刻CPU向PWM寫入新的控制常數後，下一個周期的PWM輸出佔空比立刻發生了相應改變。
相應設計在QuartusⅡ下編譯通過後進行器件仿真的波形，由圖4可見，其時序功能正確。通過器件下載編程方法下載到相應的FPGA，就可以結合整個嵌入式系統進行硬體調試。
4、 結束語
在FPGA開發軟體中完成設計以後，軟體會產生一個最終的編程文件，QuartusⅡ中是.pof或.sof。現在的FPGA基本都採用在系統編程方式，對於EEP-ROM／Flask／SRAM工藝的在系統可編程FPGA，廠家提供編程電纜，如Altera公司提供的下載電纜類型有ByteBlasterⅡ並口下載電纜、USB BlasterTMUSB口下載電纜、MasterBlaster 通信纜線（USB或RS-232埠）等，其配置方式可以有主動／被動串行配置方式、JTAG方式等。電纜一端裝在計算機的相應接口上，另一端接至PCB（印製電路板）上的編程插頭，它向系統板上的器件提供配置或編程數據，這就是所謂的ISP（在線系統編程）。
在電機控制等許多應用場合，需要產生多路頻率和脈衝寬度可調的PWM波形，本文通過使用Altera公司FPGA產品開發工具QuartusⅡ，設計了6路PWM輸出接口，並下載到FPGA，實現與CPU的協同工作。在嵌入式系統中通過FPGA擴展系統功能的設計是一種有效的方法。
責任編輯：gt
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