摘 要： 介紹大規模、高速度的FPGA在小型漁用聲納系統設計中的應用。在該系統設計中，采用了Xilinx公司的FPGA芯片XCS40作為主要器件,基本上將整個系統的功能集成在了一片芯片上。實踐證明,即降低了成本,又縮短了設計和調試的時間。
關鍵詞： 聲納 FPGA 片上系統
從傳統意義上來說，FPGA等通用可編程器件往往被應用于速率較低的DSP設計中，而在高速的DSP應用中，則往往使用專用的DSP芯片及集成電路進行設計。這樣做雖然滿足了對速度的要求，但是開發周期較長，產品的調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、設計靈活等優勢，這樣就為利用可編程器件實現高速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，在系統級集成方面也能滿足需要，從而提高了系統的靈活性和適應性。因此，在開發周期較短或對系統靈活性要求較高的場所，FPGA能夠提供比專用DSP器件更高的系統速度和更好的解決方案。
我們在設計小型聲納的過程中，根據系統的要求，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、高性能的現場可編程門陣列。它的主要特點是：
·系統門的數目達到了40000,Logic Cell數目達1862,系統資源豐富
·具備片上可配置分布式RAM, 最多配置的RAM比特數達25088位
·分布式算術邏輯單元,支持分布式DSP運算
·支持Alliance Core及系統集成
其片內結構如圖1所示。
2 由XCS40構成的聲納系統的原理
以XCS40為主體構成的漁用聲納的基本功能框圖如圖2所示。其中，虛線內的功能模塊全部集中在XCS40芯片內。
小型漁用聲納系統的基本工作原理是根據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在漁業生產和航海安全上起著很重要的作用，在小型船舶上使用相當普遍。整個系統分為模擬和數字兩大部分。
模擬部分根據環境噪聲和量程的要求,50kHz或200kHz載頻的鍵控脈沖經過緩沖、整形、推動和推挽功放之后，調制信號送到聲波換能器,發射到水中。接收電路為一外差接收機。不同頻率的反射信號經過前放后,與本機的晶振混頻,產生455kHz的中頻信號, 經過兩級中放和檢波后,由A/D變換器形成3比特的數字信號,送到聲納的數字處理部分。收發轉換模塊控制著收發信號的隔離,避免它們之間的串擾,尤其要避免發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。
整個聲納系統的數字部分集中在一片XCS40芯片中。經A/D變換后的數據, 在數據獲取控制單元的協調下,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據, 經過相關處理、雜波消除、強度變換和坐標變換等一系列信號處理后,在FPGA中內置的顯示控制模塊的管理下寫入VRAM。與此同時, 顯示控制模塊產生行場同步信號,并把不同強度的回波信號轉換成偽彩色信號, 驅動相應的R、G、B輸出,將VRAM中的數據最終顯示在監視器上。整個數字系統的運行也由FPGA內置的MCU模塊來控制, 提高了系統的集成度。
3 分布式計算與內置RAM
由于FPGA基于SRAM的特性，特別適合乘法和累加等DSP算法，也可以用其實現廣泛的數學函數運算。在設計上也可以采用并行結構和分布式算法，使得資源達到最優的配置。在該聲納的設計中, 使用了相關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,一個線性時不變的網絡的響應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查找表來實現。對于所采用的相關濾波器, 可以用下面的比較簡單的方法來實現:
這樣,當進行異或運算時,對每次回波256點且每點3比特的數據,可直接對每一位進行相關處理, 只用一個時鐘周期即可完成運算。由于充分利用了FPGA內部的分布式功能模塊和并行計算的優點, 使得信號處理的速度得到了很大的提高。
為了實現在片內完成DSP的功能, 除了必要的算術和邏輯功能模塊之外,必須具備一定數目的片內存儲器。設計中所應用的Spartan XCS40就具備了分布式的片內RAM。由于Xilinx FPGA的主要功能模塊都是基于SRAM查找表結構的，因此分布式RAM的結構可以在FPGA內的任何一處實現。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RAM已經成為了又一種片內資源。由于分布式片內RAM沒有管腿和驅動，它可以達到相當快的讀寫操作速度。在我們的設計中，分布式RAM被用作數據的輸入緩存及數據寄存器。在片內，這些RAM被配置在數字信號處理部分的附近，從而減少了數據傳輸的延時。
4 集成的顯示控制和MCU模塊
在帶有顯示子系統的設計中，一般都會用圖形控制芯片(GDC)來實現圖形顯示和控制。圖形控制芯片負責產生行場同步信號，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。它是顯示子系統的核心。我們在設計中最初采用的是NEC公司的UPD72020。但是在調試中發現,由于該顯示控制芯片的主頻與系統的主頻不一樣,導致它與FPGA的時序無法配合。
為了解決這個問題，我們在設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。圖形控制部分的結構簡圖如圖3所示。圖形控制部分的主要作用，是根據系統的要求，產生正確的行場時鐘脈沖，從而正確地控制像素點的輸出。系統的主時鐘頻率是40MHz，圖形控制部分把系統的主時鐘進行分頻，產生出18.75kHz和50Hz的行同步信號和場同步信號，加到監視器的接口，驅動正確的顯示。同時，根據系統的要求，圖形控制模塊向VRAM中寫入新的數據，并且周期性地讀出VRAM中的數據進行顯示和對VRAM進行刷新。本設計中采用的顯示器是偽彩色顯示器，不同的彩色信號對應于不同的回波強度。為了實現這個功能，我們在FPGA中的圖形控制模塊中建立了一個彩色矩陣(Color Matrix)。對應于不同強度的像素點數據，該矩陣可以將其轉化成為相應輸出比例的R、G、B信號，從而實現強度到彩色的轉換。
為了進一步提高系統的集成度,我們采用了CAST公司為Xilinx的FPGA所設計的C2901微處理器核來讀取鍵盤輸入, 控制整個系統的運行。該微處理器核的資源使用狀況和內部結構框圖如圖4所示。
由于采用高度集成的片上設計方法, 該聲納信號處理板的體積大大縮小, 整個系統僅由模擬電路、 XCS40及存儲器構成, 設計和調試都非常簡便, 整機工作性能也十分穩定。
參考文獻
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