在可配置系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模擬I/O

隨著一種新產(chǎn)品——我們?cè)贛issing Link Electronics公司稱(chēng)之為“智能產(chǎn)品”的面市，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了新動(dòng)向。這一名詞源自最近新出現(xiàn)的一個(gè)詞“智能電話(huà)”，用于描述具有智能電話(huà)特性的嵌入式系統(tǒng)：豐富的交互式用戶(hù)接口，能夠通過(guò)各種傳感器來(lái)感知環(huán)境，以及很強(qiáng)的本地處理能力等。

在智能產(chǎn)品中，這些功能集成到機(jī)械或者電子機(jī)械系統(tǒng)控制中：我們可以稱(chēng)之為目標(biāo)系統(tǒng)。其應(yīng)用實(shí)例包括家電、車(chē)輛以及機(jī)器人等。在智能電話(huà)出現(xiàn)之前，人們很早便開(kāi)始了這類(lèi)集成功能的研究。1

隨著網(wǎng)路向泛在鏈接的發(fā)展，智能產(chǎn)品這一概念更加豐富了。目前，很多市場(chǎng)都要求新產(chǎn)品至少具有一種網(wǎng)絡(luò)接口，用于接收命令，報(bào)告狀態(tài)。逐步的，新產(chǎn)品將加入“物聯(lián)網(wǎng)”：設(shè)備之間通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)共享計(jì)算資源，進(jìn)行控制，傳遞狀態(tài)信息，還可以在云中通過(guò)深度計(jì)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行交互。目前對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和行為進(jìn)行了深入研究。2

在本文中，我們的興趣不是分析這類(lèi)智能產(chǎn)品，而是怎樣處理這類(lèi)產(chǎn)品中大量的不匹配問(wèn)題：不匹配的產(chǎn)品生命周期問(wèn)題。一方面，問(wèn)題在于，電子/機(jī)械目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)展緩慢，在某些情況下，數(shù)十年不會(huì)發(fā)生變化。而另一方面，智能產(chǎn)品的智能鏈接功能卻在以網(wǎng)絡(luò)速度發(fā)生著變化;新的隱藏用戶(hù)接口、新傳感器，甚至是新的控制算法等。這種變化的不合拍對(duì)系統(tǒng)的智能部分和目標(biāo)部分之間的接口帶來(lái)了很大的壓力。

當(dāng)然，可以通過(guò)軟件來(lái)解決這一問(wèn)題。可以在標(biāo)準(zhǔn)CPU內(nèi)核上運(yùn)行代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品的功能，而且還可以進(jìn)行修改。但是，對(duì)物理接口接觸越深——智能系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)之間，或者智能系統(tǒng)及其傳感器和網(wǎng)絡(luò)之間，那么，就會(huì)知道硬件的作用會(huì)越來(lái)越大。在這些接口附近，以及數(shù)字和模擬傳感器感應(yīng)器的實(shí)際鏈接中，通常需要硬件來(lái)加速對(duì)時(shí)間要求較高的互操作。

這一問(wèn)題的數(shù)字部分已經(jīng)有FPGA應(yīng)用。這些器件的最早應(yīng)用是在數(shù)字接口中。目前，引腳數(shù)很多的大容量FPGA支持實(shí)現(xiàn)完整的智能系統(tǒng)。這樣，設(shè)計(jì)的所有數(shù)字部分，從接口到加速器和CPU內(nèi)核，可以在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)用戶(hù)接口和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化進(jìn)行重新配置。

但是模擬電路呢?無(wú)法配置智能系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)之間接口上的模擬信號(hào)通路，或者無(wú)法在智能系統(tǒng)本身增加傳感器等，這些都極大的限制了智能產(chǎn)品的靈活性，及其產(chǎn)品生命周期。例如，在熱傳感器中，一種新應(yīng)用怎樣使用模擬信號(hào)——而接口目前還不能提供這類(lèi)信號(hào)?在現(xiàn)場(chǎng)修改，增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和信號(hào)調(diào)理電路不太可行。

對(duì)此，人們不太注意的FPGA特性就顯得非常重要了。高級(jí)FPGA的可配置I/O引腳支持LVTTL——非常適用于我們的目的，以及LVDS I/O，可以高達(dá)數(shù)百兆(MHz)。這一事實(shí)非常明顯，因?yàn)長(zhǎng)VDS輸入實(shí)際上是性能良好的高速電壓比較器的外在輸入。原理上，這一比較器可以用于構(gòu)建delta-sigma調(diào)制器(DSM)：即，過(guò)采樣ADC。

DSM是多種信號(hào)目前最好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，而且精度比較高。當(dāng)然，其結(jié)構(gòu)也可以用于建立數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。圖1上部顯示了一階DSM的基本組成。這一版本采用了積分電路——“智能部分”，對(duì)差值進(jìn)行求和——輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的“delta”部分。1比特ADC只是比較器，1比特DAC是脈沖寬度調(diào)制數(shù)字輸出。當(dāng)積分電路輸出高于參考電壓時(shí)，采樣電路接通DAC，逐步驅(qū)動(dòng)積分電路后向輸出。采樣電路輸出的脈沖列是模擬輸入的數(shù)字表征。

圖1.DSM技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

這涉及到一些關(guān)鍵點(diǎn)。在實(shí)際中，DSM會(huì)使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Nyquist頻率的采樣率，而這是傳統(tǒng)閃存ADC采樣所使用的頻率;即，過(guò)采樣。而且，DSM在反饋網(wǎng)絡(luò)中采用了濾波器，進(jìn)行噪聲整形。這些相結(jié)合，過(guò)采樣擴(kuò)展了采樣噪聲功率譜，噪聲整形功能將噪聲移出了信號(hào)帶寬，如圖2所示。這些理念相結(jié)合，僅使用FPGA的可配置I/O引腳以及少量的外部無(wú)源器件就能夠構(gòu)建非常好的ADC和DAC。

圖2.過(guò)采樣和噪聲整形功能能夠?qū)⒋蟛糠植蓸釉肼晱男盘?hào)帶寬中去掉。

但是，實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不是那么簡(jiǎn)單。圖3左側(cè)顯示了連接輸入的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。然而，有一些名為delta調(diào)制器的源，不是DSM，它們不進(jìn)行噪聲整形。對(duì)比圖中右側(cè)的真DSM，F(xiàn)PGA的LVDS引腳高效的實(shí)現(xiàn)了1比特比較器，而采用了無(wú)源RC低通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了環(huán)回濾波器。結(jié)果是具有噪聲整形功能的真DSM。

圖3.delta調(diào)制器(左側(cè))與DSM (右側(cè))有完全不同的噪聲特性。

很顯然，在模擬設(shè)計(jì)中，不能忽略FPGA LVDS引腳的模擬行為。相應(yīng)的，有限振幅判決時(shí)間、亞穩(wěn)態(tài)以及其他因素等都極大的影響了轉(zhuǎn)換的信噪比(SNR)。如圖4所示，從原理上畫(huà)出了這些非線(xiàn)性效應(yīng)，非線(xiàn)性加法器(例如，兩個(gè)外部電阻)和LVDS比較器的反作用提供了較窄的“最佳點(diǎn)”，在這一點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)最佳SNR，即，最大有效比特?cái)?shù)(ENOB)。

圖4.無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和比較器特性相結(jié)合，確定了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的最佳點(diǎn)。

整個(gè)ADC/DAC電路的SPICE級(jí)仿真，包括FPGA LVDS引腳的SPICE詳細(xì)表征，實(shí)際是找到圖4中最佳點(diǎn)的最好方法，即，對(duì)于某一采樣頻率和輸入電壓，配置DSM的最優(yōu)參數(shù)。如果沒(méi)有合適的參數(shù)，DSM會(huì)不穩(wěn)定，出現(xiàn)所謂的限制周期，劣化轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。圖5中的兩條傅里葉曲線(xiàn)顯示了同一DSM電路未優(yōu)化和優(yōu)化后組件之間的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的區(qū)別。

圖5.優(yōu)化會(huì)在SFDR上產(chǎn)生很大的不同。

從這一優(yōu)化電路的曲線(xiàn)上您可以看出，我們?cè)谶@里并沒(méi)有討論低速、低分辨率的轉(zhuǎn)換器。這一方法可以用于為系統(tǒng)監(jiān)控等應(yīng)用中的不關(guān)鍵慢變信號(hào)提供低成本轉(zhuǎn)換器。而這些DSM也適用于任務(wù)關(guān)鍵信號(hào)的信號(hào)通路。Missing Link Electronics公司開(kāi)發(fā)人員社區(qū)：www.missinglinkelectronics.com/devzone/的技術(shù)摘要上提供這些“軟ADC”和“軟DAC”質(zhì)量的詳細(xì)信息。

但是，恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化輸入網(wǎng)絡(luò)以提高這些基于LVDS的DSM的性能，并不是簡(jiǎn)單的事情。這需要很好的模擬設(shè)計(jì)技能，正確的使用FPGA引腳的電信號(hào)特性信息。換言之，這通常是專(zhuān)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商的工作。

為了能夠采用這一ADC/DAC方法實(shí)現(xiàn)可配置系統(tǒng)，我們推薦圖6中的可配置模擬I/O體系結(jié)構(gòu)。它在可配置ADC/DAC中結(jié)合了ADC單元和DAC單元，在轉(zhuǎn)換器和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)之間設(shè)置了轉(zhuǎn)換濾波器。在我們的試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，與其他需要大量資源的濾波器相比，輕量級(jí)抽取濾波器能夠產(chǎn)生優(yōu)異的SNR結(jié)果。

圖6.實(shí)現(xiàn)這些DSM最有效的方法是采用第三方IP內(nèi)核。

這意味著，智能系統(tǒng)中的模擬I/O數(shù)量主要受限于目的系統(tǒng)所使用的FPGA引腳的數(shù)量。設(shè)計(jì)將其他寶貴的FPGA資源——邏輯單元和片內(nèi)存儲(chǔ)器，大部分留給了開(kāi)發(fā)您的專(zhuān)用數(shù)字硬件。

使用基于FPGA I/O引腳的DSM，嵌入式系統(tǒng)的所有關(guān)鍵部分都是“軟實(shí)現(xiàn)”——軟件或者軟核CPU的FPGA配置代碼;加速器、信號(hào)處理流水線(xiàn)或者外設(shè)的軟核IP;軟核ADC和DAC等。因此，智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠更好的控制嵌入式系統(tǒng)的材料成本，少采用微控制器，找到并更新兼容的FPGA器件。

簡(jiǎn)歷

Endric Schubert博士是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、EDA和半導(dǎo)體方面的技術(shù)專(zhuān)家。他是Missing Link Electronics有限公司的創(chuàng)始人之一，這一嵌入式系統(tǒng)公司主要業(yè)務(wù)是可配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。他曾經(jīng)從事過(guò)軟件工程、FPGA技術(shù)、可配置計(jì)算以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。Endric獲得了德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的電子工程學(xué)位，獲得了德國(guó)Tübingen大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位。他出版了多篇技術(shù)論文，發(fā)明了多項(xiàng)專(zhuān)利。

Christian Grumbein是Missing Link Electronics公司的設(shè)計(jì)工程師，擅長(zhǎng)于微控制器設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)。他獲得了德國(guó)Ulm大學(xué)的電子工程學(xué)位。

Missing Link Electronics (MLE)是一家新興公司，開(kāi)發(fā)并銷(xiāo)售嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。結(jié)合Open Source GNU/Linux，以及Android和可編程商用元器件，嵌入式開(kāi)發(fā)人員能夠迅速實(shí)現(xiàn)他們的系統(tǒng)。MLE總部位于硅谷，辦事處設(shè)在德國(guó)。