基于FPGA嵌入式的多比特自相關(guān)器設(shè)計(jì)

從表1中可以看出：在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的N個(gè)數(shù)值中僅有N-1-k個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了自相關(guān)運(yùn)算，超出這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)應(yīng)視為無(wú)效數(shù)據(jù)被舍棄。因此如果N的長(zhǎng)度過(guò)短或者k的數(shù)值過(guò)大，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)將有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)被舍棄，并且隨著k值的增加被舍棄的數(shù)據(jù)量將在整個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量中的比例越來(lái)越大；但是由于信號(hào)的自相關(guān)性隨著延遲k增加而降低，在做自相關(guān)運(yùn)算時(shí)一般采用較小的k值。為此，如果采用較大的RAM存儲(chǔ)器和較小的k值，在一組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中舍棄的數(shù)據(jù)其實(shí)是占比例很小的。例如在k=3的情況下，即延時(shí)為3個(gè)A／D轉(zhuǎn)換周期，CyclmleⅡFPGA中存儲(chǔ)器的最大存儲(chǔ)長(zhǎng)度為65 536個(gè)8 b存儲(chǔ)單元，舍棄記錄數(shù)據(jù)為3個(gè)8 b，舍棄數(shù)據(jù)量?jī)H占存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的0．004％，在自相關(guān)處理時(shí)是能夠接受的。如圖6所示。
2．2 累加器及1／N相乘單元實(shí)現(xiàn)：
如果使用2的N階次冪數(shù)據(jù)用作自相關(guān)計(jì)算，在二進(jìn)制下可以通過(guò)向右移位N個(gè)bit位實(shí)現(xiàn)除法功能。在設(shè)計(jì)中采用了2×16個(gè)采樣數(shù)據(jù)組成的數(shù)組完成自相關(guān)計(jì)算，其算法具體流程圖如圖7所示。

3 微處理器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：利用SoPCBuilder定制的軟核CPU，在Quartus II環(huán)境下設(shè)計(jì)的電路和Nios II編程。
Nios II的軟件編程主要基于嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、固化和剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)核(Kernel)。從1992年發(fā)布至今，μC／OS-II已經(jīng)有上百個(gè)的商業(yè)應(yīng)用案例，在40多種處理器上成功移植。其中Altera提供對(duì)μC／OS-II的完整支持，非常容易使用。
μC／OS―II提供以下系統(tǒng)服務(wù)：任務(wù)管理(Task Management)；事件標(biāo)志(Event Flag)；消息傳遞(Mes-sage Passing)；內(nèi)存管理(Memory Management)；信號(hào)量(Semaphores)；時(shí)間管理(Time Management)。在應(yīng)用程序中，用戶可以方便地使用這些系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。
在該設(shè)計(jì)中，建立了一個(gè)主任務(wù)和兩個(gè)子任務(wù)(任務(wù)1，任務(wù)2)：主任務(wù)主要是負(fù)責(zé)啟動(dòng)子任務(wù)；任務(wù)1主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，任務(wù)2主要負(fù)責(zé)調(diào)用存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)控制外圍計(jì)算模塊進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算?？傮w軟件算法流程圖如圖8所示。圖9為由SoPC實(shí)現(xiàn)的Nios II處理器圖。

在Nios II系統(tǒng)中，首先，通過(guò)main()主函數(shù)調(diào)用OSTaskCreateExt()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)1，即數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
由于AD7822作為AVALON的從外設(shè)掛接在了AVALON總線上，通過(guò)在任務(wù)1中通過(guò)調(diào)用IORD_16DIRECT()端口查詢函數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)起A從端口傳輸啟動(dòng)AD7822，獲取采集數(shù)據(jù)，然后使能外圍RAM的wren端口存儲(chǔ)。當(dāng)存儲(chǔ)到該設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)器長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)以后，通過(guò)“尾觸發(fā)”方式啟動(dòng)任務(wù)2，即自相關(guān)計(jì)算任務(wù)，并且調(diào)用延遲函數(shù)OSTimeDlyHMSM()，交出CPU的使用權(quán)。程序要點(diǎn)如下：

在任務(wù)2中，首先關(guān)閉兩個(gè)存儲(chǔ)器的寫入使能，使之只能讀出數(shù)據(jù)；然后輸出相應(yīng)的兩個(gè)地址碼：兩個(gè)地址碼之間有相對(duì)k的延時(shí)，并且同時(shí)使能18×18乘法器，累加器及1／N相乘單元，當(dāng)循環(huán)完成后，自動(dòng)刪除任務(wù)2，交CPU使用權(quán)給數(shù)據(jù)采集任務(wù)。程序要點(diǎn)如下：

4 結(jié) 語(yǔ)
首先，該設(shè)計(jì)采用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制外圍運(yùn)算邏輯電路的方式。實(shí)現(xiàn)了多乘加的DSP運(yùn)算，由于嵌入式操作系統(tǒng)的靈活性和廣泛的可移植性，使得該設(shè)計(jì)的可讀性和移植性增強(qiáng)；其次，本設(shè)計(jì)采用天生并行結(jié)構(gòu)的FPGA處理器完成多乘加運(yùn)算，有利于提高運(yùn)算速度和處理的穩(wěn)定度；再次，將必要的外設(shè)作為AVALON總線器件，采用總線查詢傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行訪問(wèn)，不必在嵌入式操作系統(tǒng)中過(guò)多的考慮底層硬件的驅(qū)動(dòng)和時(shí)序，這樣提高電路的穩(wěn)定性且也增強(qiáng)了程序的通用性。