利用MATLAB增強MAX+PLUS II的仿真功能

隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)展，電子工程師在設計中越來越多地采用FPGA來實現(xiàn)復雜的數(shù)字功能，不僅僅是簡單的時序邏輯，更多的是諸如數(shù)字濾波器、信號處理算法的實現(xiàn)等。這樣我們就必須要對FPGA設計進行全面的性能分析，而不僅僅是時序的驗證，這就對FPGA設計軟件的仿真功能提出了更高的要求。而現(xiàn)有的一些流行的FPGA設計工具并不能滿足這一要求。

MAX+PLUS II是ALTERA公司為自己的系列EPLD、FPGA提供的功能強大的設計及仿真軟件。在該軟件中，提供了從多種方法輸入、編譯一直到仿真的一系列配套功能，對于那些不是很復雜的時序邏輯設計來說，可以在一個軟件內方便地完成所有的設計及仿真工作。而對于那些復雜的設計則顯得力不從心了。

舉一個例子：對一個基于FPGA設計的雷達信號處理機，我們關心其在給定發(fā)現(xiàn)概率和虛警率的前提下的最小可檢測信噪比，或者在某一給定信噪比條件下其Pd、Pf是否能滿足要求。雖然在設計之前肯定已經(jīng)做了諸如可行性分析、性能分析等一系列的工作，但是由于數(shù)字實現(xiàn)必須考慮的一些問題，如字長效應、算法簡化等，有可能使具體實現(xiàn)的性能比之理論分析有所下降，這個下降到底有多大？另外，采用的信號處理算法還有哪些沒有發(fā)現(xiàn)的缺陷？對設計者來說，能夠完全在軟件環(huán)境中通過仿真來解決這些問題遠比在不成熟的硬件環(huán)境中反復地調試、修改來的有效率，且有更大的彈性，更容易進行。

然而，當我們想通過MAX+POUSII軟件自帶的仿真工具對復雜設計的性能作一個評估時，就會碰到許多困難。一般來說簡單仿真的步驟如圖１所示。其中，手工設置仿真輸入節(jié)點值只適用于輸入信號比較簡單的情況，而對于復雜的輸入信號就無能為力了。如上述雷達信號處理機的輸入信號，應該是許多個周期的雷達同步信號、雷達回波信號加上取決于接收信道的帶限噪聲構成的（后兩者應有給定的信噪比關系）。這類輸入信號不僅必須經(jīng)嚴格計算得到，而且數(shù)量巨大，很難由手工輸入。

另外，一般我們對仿真結果的分析也僅限于直接觀察，只能對相對較簡單的結果作出判斷。而雷達信號處理機則必須做蒙特卡洛實驗（海量實驗）來統(tǒng)計其性能（如統(tǒng)計給定信噪比下的Pd、Pf），或對處理結果進行各種分析（如時頻分析）來判斷處理器是否最佳等。這樣，對仿真結果的分析也不能簡單地判斷，必須經(jīng)專門的數(shù)學計算才能給出結論。

由此看來，MAX+PLUS II的仿真功能已經(jīng)不能滿足對復雜設計進行仿真的要求，我們必須另找方法。當然，如果有像ＣＯＳＳＡＰ這樣的軟件的話，就不存在上述問題了。但對于大多數(shù)設計者來說，他們一般很難有機會接觸到這些工作站上的大型軟件，更普及的是像MAX+PLUS II、MATLAB這樣的通用工具軟件。

我們知道，MATLAB是MathWorks公司推出的一種面向科學與工程計算的高級（語言）軟件，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率。它可以極方便地產生各種信號，進行各種變換、統(tǒng)計，另外它的繪圖功能也極為強大。它的這些特點正好可以彌補MAX+PLUS II在仿真功能上的缺陷。因此，本人在這里介紹一種利用MATLAB來產生復雜的仿真輸入信號，并對仿真輸出信號進行分析的方法。

１ 聯(lián)合仿真方法介紹

１．１ 聯(lián)合仿真流程

我們先介紹MATLAB與MAX+PLUS II聯(lián)合仿真的流程，以使大家心中有一個概念。然后再分別介紹各部分的實現(xiàn)。聯(lián)合仿真流程為：

（１）先在MATLAB中產生原始信號，并轉換為2/16進制序列；

（２）利用自己編寫的MATLAB函數(shù)按一定格式生成向量文件（*.vec，純文本文件）；

（３）在MAX+PLUS II中，打開你要仿真的FPGA源文件，設置為“當前工程”并作編譯；

（４）打開simulator，選“FileInputs/Outputs”，輸入在MATLAB中生成的向量文件名，按：“確定”按鈕生成*.scf文件；

（５）進行仿真；

（６）選菜單“FileCreate Table Files”，生成相應的*.tbl文件（純文本文件）；

（７）回到MATLAB下，運行自己編寫的函數(shù)，自動從Table文件提取需要的輸出數(shù)據(jù)、進制轉換（變?yōu)槭M制），生成仿真結果序列；

（８）對結果序列進行進一步分析、處理。

１.2 仿真輸入文件

在MAX+PLUS II的仿真輸入文件中有一種文本形式的向量文件（Vector File），其后綴名為“*.vec。這種文件是用一定格式的文本來描述仿真信號的。我們可以很方便地使用任何純文本編輯器來書寫文件，定義仿真時間長度，以相對／絕對時間單位來定義周期重復的輸入信號（如時鐘）和其它復雜輸入信號。下面給出一個該文件的簡單例子：

％時間單位缺省為以％

START 0； ％定義仿真開始、結束時間％

STOP 1000；

iNTERVAL 100； ％定義時間步長：100ns％

INPUTS CLOCK；

PATTERN

01； ％相對向量值定義：CLOCK ％

％每100ns翻轉一次％

INPUTS DATAINX DATAINY；

PATTERN ％定義兩個輸入信號％

%DATAINX和DATAINY%

0>00

220＞ 10

320＞ 11%絕對時間描述％

570＞ 01%大于號前為絕對時間值％

720＞ 11%大于號后為兩個輸入值％

；

INPUTS CLEAR；

PATTERN

0＞1%產生寬度100ns的清零信號％

100＞0%100ns后CLEAR信號保持高電平％

在這個例子中，定義了一個周期為200ns的時鐘信號、一個100ns以前起作用的清零信號（高電平有效）以及兩個輸入信號DATAINX、DATAINY。在實際使用時，我們可以用同樣的方法方便地產生時鐘、復位等常用信號。而對于復雜的輸入信號，可以先用MATLAB來產生，然后以相對時間的方式寫入向量文件。

在產生復雜輸入信號之前，必須注意以下幾點：

第一，MATLAB產生的是浮點或整數(shù)信號，而數(shù)字模塊的輸入為N位二進制數(shù)，這之間有一個進制轉換的問題。因此，我們先要根據(jù)要采用的A/D位數(shù)對原始信號進行量化。

第二，在MAX+PLUS II的仿真器中，數(shù)據(jù)可以采用2/8/10/16進制顯示格式，但其十進制顯示用的是無符號數(shù)的方式，在表示那些補碼形式的2/8/16進制數(shù)時會發(fā)生錯誤，因此必須把輸入信號轉換為2/16進制數(shù)。

第三，進制轉換程序必須自己編制。因為MATLAB是用字符串來表示2/8/16進制數(shù)的，雖然有一些進制變換的函數(shù)（如HEX2DEC、DEC2HEX等），但尚不能滿足需要，必須在此基礎上自己編制新的函數(shù)。

１.3 仿真輸出文件

向量文件產生后，就可以進行仿真了，仿真結果轉換成Table文件輸出。Table 文件示例如下。

INPUTS clk reset din;

OUTPUTS y

UNIT ns ％定義時間單位％

RADIX HEX； ％定義顯示進制％

PATIERN

％ r ％

％ e

％ csd ％

％ lei ％

％ ktny ％

0.0＞X 0 0000=0000

40.0＞X 1 0000=0000

50.0＞0 1 0000=0000

……

1475.0＞1 1 0000=0000

1500.0＞X X XXXX=XXXX

Table文件的構成與向量文件大致相同。它的開始部分是注釋（同樣是以％…％標注的文字），接著是對輸入／輸出信號、時間單位、顯示采用進制的定義，第三部分就是對輸入／輸出信號在仿真后的列表。其中，“＞”號以前的是時間值，“＝”號后面則是我們關心的仿真輸出結果了。根據(jù)Table文件的這些特點，我們可以編制MATLAB函數(shù)將關心的東西（如時間值、某輸出結果）提取出來形成數(shù)據(jù)序列，以便后續(xù)處理。在這里要注意一個問題，就是Table文件中會對每一個信號的變化時刻都進行記錄，我們用圖２的一個簡單的D觸發(fā)器的部分仿真時序來作說明，圖中示出了Ｄ觸發(fā)器的輸入信號D、時鐘，以及其輸出信號Q，在這一段仿真中，Table文件會記錄從T1～T9的9個信號變化的時刻，這使得輸出信號的每一個值被記錄了多次。如果我們對此不加甄別就照單全收的話，就會對此后的分析工作帶來麻煩。因此，對于同步數(shù)字系統(tǒng)，我們只應提取那些我們關心的時鐘上沿／下沿時刻的輸出值。

２ 應用實例

本人在自己的設計工作中使用了以上介紹的這種方法。我設計的是一個單脈沖雷達回波信號處理機，基本原理是信號的能量積累后檢測，其中采用了較復雜的信號處理算法，在原理驗證階段采用的是固定門限檢測。在用MAX+PLUS II設計完該信號處理機后，現(xiàn)實的問題就是要在給定Pd、Pf的條件下，根據(jù)具體的算法確定檢測門限。我們先在接收機上對接收機噪聲用示波器進行了測量并存儲了大量數(shù)據(jù)，然后將測量結果讀入MATLAB，形成一維數(shù)組。然后按以上介紹的方法對噪聲數(shù)據(jù)進行兩種處理：一是產生模擬回波信號（或采用真實回波信號采樣序列）、信號噪聲按一定信噪比混合、加上同步脈沖后形成多個周期的“有信號回波”，二是完全是噪聲的“無信號回波”；再結合其它必要的輸入信號（如時鐘信號、復位信號等）生成向量文件，在MAX+PLUS II中仿真后，分別提取仿真結果中的“有／無信號”的兩種能量積累結果進行分析，初步確定檢測門限，并由此結合理論分析對其檢測性能進行評估。

當然，這種完全在軟件環(huán)境中進行性能分析的方法并不是萬能的，它只能也只應起到輔助的作用，我們采用它的目的是為了使我們的設計變得更經(jīng)濟、更省時、更可靠。畢竟，一個設計最終是要形成硬件，并在實際應用中去真正檢驗它的品質的。

總之，由于FPGA方便靈活的特點，使得這種器件在數(shù)字設計領域的應用越來越廣泛。而作為一個設計者，必須利用設計軟件的開放性，充分利用其它各種手段來保證我們的設計的可靠性，提高設計的品質。