利用FPGA現(xiàn)小型聲納的片上系統(tǒng)集成

??? 關(guān)鍵詞：聲納 ＦＰＧＡ 片上系統(tǒng)

??? 從傳統(tǒng)意義上來說，ＦＰＧＡ等通用可編程器件往往被應(yīng)用于速率較低的ＤＳＰ設(shè)計中，而在高速的ＤＳＰ應(yīng)用中，則往往使用專用的ＤＳＰ芯片及集成電路進行設(shè)計。這樣做雖然滿足了對速度的要求，但是開發(fā)周期較長，產(chǎn)品的調(diào)試修改升級比較困難，而且靈活性較差。

??? 隨著工藝水平的提高，ＦＰＧＡ等可編程器件的速度和規(guī)模都有了很大的提高，而且它還具有集成度高、體積小、功耗低、設(shè)計靈活等優(yōu)勢，這樣就為利用可編程器件實現(xiàn)高速ＤＳＰ處理開辟了道路。目前新一代的ＦＰＧＡ等可編程器件，不僅在速度上能滿足ＤＳＰ的要求，而且可編程資源也大大增加，在系統(tǒng)級集成方面也能滿足需要，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。因此，在開發(fā)周期較短或?qū)ο到y(tǒng)靈活性要求較高的場所，ＦＰＧＡ能夠提供比專用ＤＳＰ器件更高的系統(tǒng)速度和更好的解決方案。

??? 我們在設(shè)計小型聲納的過程中，根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用了Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｓｐａｒｔａｎ ＸＣＳ４０芯片。

1 器件介紹

??? Ｓｐａｒｔａｎ系列的ＸＣＳ４０是Ｘｉｌｉｎｘ公司推出的低價格、高性能的現(xiàn)場可編程門陣列。它的主要特點是：

??? ·系統(tǒng)門的數(shù)目達到了４００００，Ｌｏｇｉｃ Ｃｅｌｌ數(shù)目達１８６２，系統(tǒng)資源豐富

??? ·具備片上可配置分布式ＲＡＭ? 最多配置的ＲＡＭ比特數(shù)達２５０８８位

??? ·分布式算術(shù)邏輯單元，支持分布式ＤＳＰ運算

??? ·支持Ａｌｌｉａｎｃｅ Ｃｏｒｅ及系統(tǒng)集成

??? 其片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖１所示。

2 由ＸＣＳ４０構(gòu)成的聲納系統(tǒng)的原理

??? 以ＸＣＳ４０為主體構(gòu)成的漁用聲納的基本功能框圖如圖２所示。其中，虛線內(nèi)的功能模塊全部集中在ＸＣＳ４０芯片內(nèi)。

??? 小型漁用聲納系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)從水下反射的聲波回波信號，顯示水下魚群和海底的深度情況。這種小型的聲波探測系統(tǒng)在漁業(yè)生產(chǎn)和航海安全上起著很重要的作用，在小型船舶上使用相當(dāng)普遍。整個系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩大部分。

??? 模擬部分根據(jù)環(huán)境噪聲和量程的要求，５０ｋＨｚ或２００ｋＨｚ載頻的鍵控脈沖經(jīng)過緩沖、整形、推動和推挽功放之后，調(diào)制信號送到聲波換能器?發(fā)射到水中。接收電路為一外差接收機。不同頻率的反射信號經(jīng)過前放后，與本機的晶振混頻，產(chǎn)生４５５ｋＨｚ的中頻信號，經(jīng)過兩級中放和檢波后，由Ａ／Ｄ變換器形成３比特的數(shù)字信號，送到聲納的數(shù)字處理部分。收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊控制著收發(fā)信號的隔離，避免它們之間的串?dāng)_，尤其要避免發(fā)射信號串入接收機端而引起接收機性能的大幅度下降。同時，通過時變增益控制（ＴＶＧ）等手段，使得輸入信號的動態(tài)范圍得到了壓縮，增大了接收機的工作范圍，也使得整個模擬部分的抗干擾性和信噪比得到了提高。

??? 整個聲納系統(tǒng)的數(shù)字部分集中在一片ＸＣＳ４０芯片中。經(jīng)Ａ／Ｄ變換后的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)獲取控制單元的協(xié)調(diào)下，通過正常記錄和海底鎖定記錄兩個通道分別進入輸入存儲器。輸入存儲器中的回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)處理、雜波消除、強度變換和坐標(biāo)變換等一系列信號處理后，在ＦＰＧＡ中內(nèi)置的顯示控制模塊的管理下寫入ＶＲＡＭ。與此同時，顯示控制模塊產(chǎn)生行場同步信號，并把不同強度的回波信號轉(zhuǎn)換成偽彩色信號，驅(qū)動相應(yīng)的Ｒ、Ｇ、Ｂ輸出，將ＶＲＡＭ中的數(shù)據(jù)最終顯示在監(jiān)視器上。整個數(shù)字系統(tǒng)的運行也由ＦＰＧＡ內(nèi)置的ＭＣＵ模塊來控制，提高了系統(tǒng)的集成度。

3 分布式計算與內(nèi)置ＲＡＭ

??? 由于ＦＰＧＡ基于ＳＲＡＭ的特性，特別適合乘法和累加等ＤＳＰ算法，也可以用其實現(xiàn)廣泛的數(shù)學(xué)函數(shù)運算。在設(shè)計上也可以采用并行結(jié)構(gòu)和分布式算法，使得資源達到最優(yōu)的配置。在該聲納的設(shè)計中，使用了相關(guān)濾波器來除去鄰頻干擾、 雜波以及噪聲。并利用分布式計算，大大提高了信號處理效率。對于二進制系統(tǒng)?一個線性時不變的網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)可以用下面的公式來表示：

??? 可見，上面的公式可以用加法器和分布式算術(shù)查找表來實現(xiàn)。對于所采用的相關(guān)濾波器，可以用下面的比較簡單的方法來實現(xiàn)：

??? 這樣，當(dāng)進行異或運算時，對每次回波２５６點且每點３比特的數(shù)據(jù)，可直接對每一位進行相關(guān)處理，只用一個時鐘周期即可完成運算。由于充分利用了ＦＰＧＡ內(nèi)部的分布式功能模塊和并行計算的優(yōu)點，使得信號處理的速度得到了很大的提高。

??? 為了實現(xiàn)在片內(nèi)完成ＤＳＰ的功能，除了必要的算術(shù)和邏輯功能模塊之外，必須具備一定數(shù)目的片內(nèi)存儲器。設(shè)計中所應(yīng)用的Ｓｐａｒｔａｎ ＸＣＳ４０就具備了分布式的片內(nèi)ＲＡＭ。由于Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡ的主要功能模塊都是基于ＳＲＡＭ查找表結(jié)構(gòu)的，因此分布式ＲＡＭ的結(jié)構(gòu)可以在ＦＰＧＡ內(nèi)的任何一處實現(xiàn)。這也是分布式ＲＡＭ名稱的由來。除去ＣＬＢ、ＩＯ模塊和布線模塊外，分布式片內(nèi)ＲＡＭ已經(jīng)成為了又一種片內(nèi)資源。由于分布式片內(nèi)ＲＡＭ沒有管腿和驅(qū)動，它可以達到相當(dāng)快的讀寫操作速度。在我們的設(shè)計中，分布式ＲＡＭ被用作數(shù)據(jù)的輸入緩存及數(shù)據(jù)寄存器。在片內(nèi)，這些ＲＡＭ被配置在數(shù)字信號處理部分的附近，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r。

4 集成的顯示控制和ＭＣＵ模塊

??? 在帶有顯示子系統(tǒng)的設(shè)計中，一般都會用圖形控制芯片（ＧＤＣ）來實現(xiàn)圖形顯示和控制。圖形控制芯片負責(zé)產(chǎn)生行場同步信號，輸出像素點信號，控制字符圖形和直線、圓等基本元素的輸出，讀寫ＶＲＡＭ并控制ＶＲＡＭ的刷新。它是顯示子系統(tǒng)的核心。我們在設(shè)計中最初采用的是ＮＥＣ公司的ＵＰＤ７２０２０。但是在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)?由于該顯示控制芯片的主頻與系統(tǒng)的主頻不一樣，導(dǎo)致它與ＦＰＧＡ的時序無法配合。

??? 為了解決這個問題，我們在設(shè)計中把圖形控制芯片的功能集成到了ＦＰＧＡ中?形成一個功能比較完備的ＣＯＲＥ。圖形控制部分的結(jié)構(gòu)簡圖如圖３所示。圖形控制部分的主要作用，是根據(jù)系統(tǒng)的要求，產(chǎn)生正確的行場時鐘脈沖，從而正確地控制像素點的輸出。系統(tǒng)的主時鐘頻率是４０ＭＨｚ，圖形控制部分把系統(tǒng)的主時鐘進行分頻，產(chǎn)生出１８．７５ｋＨｚ和５０Ｈｚ的行同步信號和場同步信號，加到監(jiān)視器的接口，驅(qū)動正確的顯示。同時，根據(jù)系統(tǒng)的要求，圖形控制模塊向ＶＲＡＭ中寫入新的數(shù)據(jù)，并且周期性地讀出ＶＲＡＭ中的數(shù)據(jù)進行顯示和對ＶＲＡＭ進行刷新。本設(shè)計中采用的顯示器是偽彩色顯示器，不同的彩色信號對應(yīng)于不同的回波強度。為了實現(xiàn)這個功能，我們在ＦＰＧＡ中的圖形控制模塊中建立了一個彩色矩陣?Ｃｏｌｏｒ Ｍａｔｒｉｘ?。對應(yīng)于不同強度的像素點數(shù)據(jù)，該矩陣可以將其轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)輸出比例的Ｒ、Ｇ、Ｂ信號，從而實現(xiàn)強度到彩色的轉(zhuǎn)換。

??? 為了進一步提高系統(tǒng)的集成度，我們采用了ＣＡＳＴ公司為Ｘｉｌｉｎｘ的ＦＰＧＡ所設(shè)計的Ｃ２９０１微處理器核來讀取鍵盤輸入，控制整個系統(tǒng)的運行。該微處理器核的資源使用狀況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖４所示。

??? 由于采用高度集成的片上設(shè)計方法，該聲納信號處理板的體積大大縮小，整個系統(tǒng)僅由模擬電路、 ＸＣＳ４０及存儲器構(gòu)成，設(shè)計和調(diào)試都非常簡便，整機工作性能也十分穩(wěn)定。