《Fpga器件的开发平台与matlab接口仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Fpga器件的开发平台与matlab接口仿真（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、FPG/W件的开发平台与MATLA骸口仿真引言现场可编程逻辑门阵列FPG/W件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助 设计 技术发展的结果。FPG部件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功 能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校 验，直到达到预期的结果。目前使用最多的Quartus II软件支 持几乎所有的ED2 具，并且可以通过命令行或Tcl脚本与第三方EDA工具之 间进行无缝连接。但在很 多工程设计应用中，由FPGAS件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制输出的信号可视性差，给设计人员进 行仿 真、调试带来了很多不便。对于很
2、多工程设计人员来说MATLAB 一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPG内MATLAB接 口，就可以快速、准确、直观地对FPGA序进行校验和仿真，尤其在波形信 号处理 等工程应用领域具有实际意义。Quartus II开发软件Altera公司的QuartusII软件提供了可编程片上系统（SOPC设计的一个综合 开发环 境Quartus II开发工具人机界面友好、易于使用、性能优良，并自带编译、仿真功 能。QuartusII软件支持VHD朗Verilog硬件描述语言的设计输 入、基于图形的设 计输入方式以及集成系统级设计工具。QuartusII软件可以将设计、综合、布
3、局和布线以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中也 包括和第三方EDM具的接口。QuartusII设计软件根据设计者需要提供了一个完整的 多平台开发环境，它包含整个FPG呼日CPL破计阶段的解决方案。图1说明了 QuartusII软件的开发流程。设计输入在实际应用设计中，对程序原理性及可执行性的验证主要集中在程序修改阶段，尤 其在处理的数据复杂、繁多时，Quartus II自带的波形输入仿真就很难实现程序的 验证，而且输出的数据不能方便的以波形图示直观的呈现，给程序设计 者在校验程 序阶段带来了很多的不便。再有，在很多数字电路设计中，考虑成 本的问题，FPG 戒现的往往是设计的核心部
4、分，而很多的外围电路如A/D转换器、d/a转换器等仍然使用传统的接口芯片来实现。而QuartusII设计只是针对数 字信号，并不支持模拟量的输入。而仅仅为了便丁程序的验证而用FPGAS现这些外围电路，不但会大大延长程序的开发周期，更会增大开发的成本。而 MATLA臭有强大的运算功能，可以容易的实现A/D、D/A转换等外围电路功能， 并能以波形形式将结果直观地呈现，极大地方便了程序设计人员设计应用系统。QuartusII 与 Matlab 的接口实现接口原理VHDL程序从根本上讲就是将一些现有的数据进行处理，并输出预期的数据。QuartusII软件的波形文件（.vwf文件）可以根据设计人员的要求
5、灵活输入。但在大 多数情况下需要仿真的波形数据数量庞大，这样的输入方式就明显不能满足仿真的 要求了。而上述提到的一些外围电路的作用也是将需要处理的数据 输入到程序中， 并将处理过的数据输出到指定的装置。根据这一原理，用一个 输入、输出寄存器就 可以方便的实现与MATLAW问的接口了。QuartusII工具中提供了很多种类的寄存器宏模块，并能根据用户的要求进行编辑。使用这些宏模 块可以很容易地实现与MATLA既问的接口。下面就是几种RAMS模块：表ram蛊模块堪例方变块名桥 1 rnp-rArrvcfciUYlp-fOffL跆手敏叱朋虬嘛人（口分昨券教叱只AW.蛾人粉出共阳一个孝口接口的实现数据
6、的输入 很多FPGAS序在仿真时，需要输入特定条件下的数值。程序设计时，可以在输入 端口前加一个预置的存储器，那么初始数据的输入就变成了该寄存器的初始化。一 般情况下，这些初始数据很容易用MATLAB件经过计算实现。QuartusII中提供了两 种寄存器的初始文件格式，.mif文件和.hex文件。由MATLAB成 的数据可以方便 的根据指定路径加载到寄存器模块中。数据的输出数据输出和数据输入的原理是相同的。将寄存器中的.mif文件或.hex文件导出，并 加载到MATLA中相应的变量中，MATLAB勺波形仿真功能就可使设计人员方便 直 观地观察程序结果了，这样大大地方便了设计人员在设计早期对程序
7、进行校 验。应用举例这里以一个简单的FFT谐波分析过程的设计为例，说明如何在FPGAg计中灵活 地 应用MATLA能完成设计的初步仿真和验证。FPGA勺快速运算虽然能更好的实 现 了 FFT,但大多数FFT设计并不能预知处理对象的准确波形，而QuartusII更 不能 提供直观的结果观察。为了验证设计的可行性，在设计时，在输入、输出 端分别设 置一个数据存储器，数据存入的时序可以根据设计的要求灵活控制， 存储需要的数 据。需要注意的一点就是，对丁大量数据的波形验证，存储器的 加入会使设计的资 源变大，初步验证时需使用比预计的容量大的器件。在程序 的初步验证之后，就可 以在预定的器件中进行编译配
8、置，然后进行进一步的调 试。程序设计如图2所示，程序设计大致分为四个模块，主程序模块、输入存储器、输出存储器 以及控制模块。主程序模块是FFT的设计程序，来完成预期的数据处理，而输 入、输出存储器则为与Matlab的接口程序，控制模块则控制数据的输入、假设设计时的A/D接口采样频率为50kHz,即一个周期内的采样点数为1000点 在 MATLAB可以很容易的实现公式（1）所示的信号的A/D采样。根据采样要求，就可 以确定输入存储器的容量为12 1000bit。将MATLABA生成的目标向量以相 应的二进 制表示，并导入到该输入存储器中，就完成了输入存储器的初始化。所得的结果输出原理亦同，在MA
9、TLABA建立大小相当的向量，将输出存储器中的 数据导入到该向量就可以直观的形式观察输出的结果。那么设计中的关键问题主要 就集中在了控制模块的设计。该模块的时序必须与外围电路时序、主程序中的时序 相匹配，以达到逼真模拟真实A/D等外围电路的作用。结果仿真任意取两个不同的输入信号如下:（ a1 5. s?（h7+ 。4）+ 3洲 3 时）+ 川门口）工2=&洲3心）2浦神5昭）+ C5（7h7）按照上述的程序设计流程，可以由FPG聊速计算得到任意波形的FFT处理结果，并 以直观的结果方便程序设计人员的初步程序调试。结论FPGAS件的最大的优势就是具有更快的速度、更灵活的控制方式及现场可编程功 能，但处理对象只限丁数字信号，因而给程序的初期调试带来了不便。而MATLAEM有强大的计算功能，尤其便于实现数字信号与模拟信号之间的灵活转 换，并将结果直观呈现。仿真结果证明，将两种设计软件结合使用，可以大大地方 便工程设计人员进行初期修正。
