異步FIFO和PLL在高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
??? 隨著雷達系統(tǒng)中數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，需要對雷達回波信號進行高速數(shù)據(jù)采集。在嵌入式條件下，要求獲取數(shù)據(jù)的速度越來越快。精度越來越高，以致數(shù)據(jù)量及處理速度要求大增。為避免數(shù)據(jù)處理不及時，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，影響系統(tǒng)可靠性，要進一步提高系統(tǒng)實時性，必須研究開發(fā)高速嵌入式雷達信號采集系統(tǒng)。這里結(jié)合高速嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出一種基于CvcloneⅢFPGA實現(xiàn)的異步FIFO和鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高速緩存，該結(jié)構(gòu)可成倍提高數(shù)據(jù)流通速率，增加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性。采用FPGA設(shè)計高速緩存，能針對外部硬件系統(tǒng)的改變，通過修改片內(nèi)程序以應(yīng)用于不同的硬件環(huán)境。由于FPGA可重配置，可通過對其編程修改其電路功能，方便后續(xù)的系統(tǒng)升級。

2 高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 圖1為高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框。

??? 通過下變頻將接收的射頻信號變換為適合A／D采樣的中頻信號。再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后FPGA中異步FIFO構(gòu)成的高速緩存將中頻采樣數(shù)據(jù)變換為與存儲器寫時間相匹配的低速數(shù)據(jù)并存儲到RAM中。DSP及其他數(shù)據(jù)處理器通過與RAM或FIFO間進行數(shù)據(jù)傳遞，分析處理雷達回波信號，就可獲取信號的特征和特征參數(shù)。如果DSP不通過緩存而直接與A／D相連，在采樣過程中，若A／D連續(xù)采樣數(shù)據(jù)，DSP一直處于連續(xù)的間隔讀數(shù)狀態(tài)，這將占用DSP大部分處理時間，導致DSP不能進行其他工作。也可能出現(xiàn)上一次的數(shù)據(jù)還沒被DSP處理完，下一次采集過程就開始的情況。如果選取更高速的A／D轉(zhuǎn)換器，甚至會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，破壞系統(tǒng)的可靠性。同時由于DSP不直接與A／D轉(zhuǎn)換器相連，所以A／D轉(zhuǎn)換器的升級或替代都不會影響原來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且使用高速緩存后數(shù)據(jù)采集速率可達所采用的A／D轉(zhuǎn)換器輸出的最高速率，能充分發(fā)揮DSP算法處理功能強大、速度高的優(yōu)勢。而采用CycloneⅢFPGA設(shè)計高速緩存，設(shè)計靈活、通用性強。整個系統(tǒng)具有實時性高、體積小、開發(fā)周期短、易于維護和擴展、適于實時信號處理等多個優(yōu)點。高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計主要包括高速A／D轉(zhuǎn)換電路、讀寫控制邏輯電路、由雙時鐘FIFO構(gòu)成的高速緩存電路、鎖相環(huán)、外部有源品振等，盡量選用高速器件以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的瞬時帶寬和存儲深度。
??? 高速A／D轉(zhuǎn)換器采用MAX101A，其最高采樣速率可達到500 Ms／s，采樣精度為8 bit，該器件屬于直接轉(zhuǎn)換式模數(shù)轉(zhuǎn)換器即Flash A／D轉(zhuǎn)換器，其特點是速度快，內(nèi)置1．2 GHz帶寬的采樣保持放大器，特有的量化設(shè)計使其具有較好的動態(tài)特性。如果采集系統(tǒng)需更高的采樣速率，可使用多片A／D交替采樣。FPGA采用EP3C120，EP3C120利用65 nm低功耗工藝，不但實現(xiàn)低功耗，還具有豐富的邏輯(120 KB邏輯單元)、存儲器(高達4 Mbit)，及數(shù)字信號處理資源(288個DSP乘法器)。EP3C120的低功耗特性和其大容量的存儲器使其非常適合嵌入式高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。采用異步FIFO構(gòu)成的高速緩存即是使用FPGA巾高達4 Mbit容量的存儲器。由于該器件具有乘法器，可輔助DSP器件完成一些計算密集型的算法。
??? 由于一般采用品振作為時鐘源，通過上下變頻得到各個單元需要的時鐘，但這又提高了系統(tǒng)的復雜度。這里采用CycloneⅢ系列FPGA可方便地解決此問題．EP3C120內(nèi)部集成有4個PLL單元，各個PLL可為不同模塊提供不同的時鐘，只需為系統(tǒng)提供一個高穩(wěn)定的晶振，通過PLL單元進行時鐘上下變頻即可。

3 基于FPGA實現(xiàn)異步FIFO設(shè)計
??? 異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數(shù)據(jù)在一個時鐘域?qū)懭隖IFO而在另一個時鐘域又從該FIFO中將數(shù)據(jù)讀出。異步FIFO通常被用來將數(shù)據(jù)從一個時鐘域安全地傳送到另一個時鐘域。FIFO可作為A／D轉(zhuǎn)換器件和DSP間的橋梁。使用FIFO作為輸入緩沖，由A／D轉(zhuǎn)換器件把采樣轉(zhuǎn)換的值同步寫入FIFO，每寫入一塊數(shù)據(jù)便向DSP發(fā)出一個信號，以提醒DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)塊。這樣比單次讀的效率要高的多，不會有數(shù)據(jù)丟失，且僅占用少量的系統(tǒng)資源。設(shè)計一個異步FIFO，讀寫使能由不同的時鐘激勵控制輸入和輸出數(shù)據(jù)，空／滿標志既用來防止數(shù)據(jù)的上溢和下溢，也作為寫入／讀出控制邏輯的輸入信號，用來控制A／D數(shù)據(jù)采樣過程和對DSP數(shù)據(jù)的傳輸。當FIFO輸出滿標志時，寫入控制邏輯停止A／D采樣，等待滿標志無效時恢復數(shù)據(jù)采樣。從而防止數(shù)據(jù)丟失。當FIFO輸出空標志時，讀出控制邏輯停止DSP的數(shù)據(jù)讀取，等待空標志無效時恢復數(shù)據(jù)讀取。圖1中FPGA內(nèi)的寫入／讀出控制邏輯使用有限狀態(tài)機設(shè)計，有限狀態(tài)機能有效的進行讀寫時序控制，根據(jù)A／D和處理器的時序控制原理畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，進行編程設(shè)定。
??? FIFO的參數(shù)指標直接影響數(shù)據(jù)采集速度。首先，F(xiàn)IFO的讀寫速度要足夠快，其工作頻率至少要大于等于A／D轉(zhuǎn)換器件的采樣率，才能充分發(fā)揮A／D轉(zhuǎn)換器件的高采樣率并保證無數(shù)據(jù)丟失。其次，F(xiàn)IFO的存儲容量要適宜，容量過大會造成資源浪費，容量過小會造成溢出或數(shù)據(jù)采集速度過慢。系統(tǒng)FIFO采用EP3C120實現(xiàn)。由FPGA實現(xiàn)異步FIFO時，可方便的根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的采樣精度和DSP數(shù)據(jù)寬度設(shè)計FIFO的輸人數(shù)據(jù)寬度和輸出數(shù)據(jù)寬度，且采用PLL設(shè)計后，可方便的調(diào)整FIFO寫入端和讀出端的時鐘頻率，使FIFO設(shè)計的高速緩存具有一定的通用性。異步FIFO是在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下利用其IP核設(shè)計的，該設(shè)計的異步FIFO可支持高達256位的數(shù)據(jù)寬度；支持存儲的最大深度可達131 072words，同時支持空滿標志位。表1給出系統(tǒng)在不同存儲深度時消耗FPGA片內(nèi)資源的情況?？梢?，針對不同的數(shù)據(jù)采集需求，可利用Ahera公司提供的參數(shù)化的IP核方便的選擇FIFO的數(shù)據(jù)位寬度及存儲深度，避免資源浪費。

?? 考慮到前端A/D轉(zhuǎn)換速度快，精度為8位，后端DSP的處理位數(shù)一般可做到32位，為提高系統(tǒng)實時性，采用輸入數(shù)據(jù)寬度為8位，輸出寬度為32位的雙時鐘FIFO，如圖2所示。
??? 圖3為對FIFO仿真的結(jié)果。雙時鐘FIFO輸入為8位、輸出為32位，且FIFO兩端的讀寫時鐘頻率不同。

??? 分析系統(tǒng)的吞吐率：由于A／D數(shù)據(jù)輸入端口的速度固定，數(shù)據(jù)按采樣頻率輸入FIFO，因此輸入數(shù)據(jù)的時間是不變的，而DSP一次訪問可取走4個有效數(shù)據(jù)，大大增加DSP讀取數(shù)據(jù)的吞吐率，提高系統(tǒng)實時處理能力。

4 基于FPGA的PLL設(shè)計
??? Cyclone FPGA具有鎖相環(huán)(PLL)和全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，提供完整的時鐘管理方案。Cyclone PLL具有時鐘倍頻和分頻、相位偏移、可編程占空比和外部時鐘輸出，進行系統(tǒng)級的時鐘管理和偏移控制。Altera Quattus II軟件無需任何外部器件，就可啟用Cyclone PLL和相關(guān)功能。PLL常用于同步內(nèi)部器件時鐘和外部時鐘，使內(nèi)部工作的時鐘頻率比外部時鐘更高，時鐘延遲和時鐘偏移最小，減小或調(diào)整時鐘到輸出(TCO)和建立(TSU)時間。PLL主要部分的框架如圖4所示。

??? PLL模塊接收來自全局時鐘輸入引腳的時鐘信號，經(jīng)鎖相環(huán)分／倍頻后作為異步FIFO的讀寫時鐘，也可以作為外部A／D轉(zhuǎn)換器采樣時鐘。Cyclone PLL中包含一個前置分頻器N和一個倍頻器M，設(shè)定范圍為1～32。輸入時鐘fin經(jīng)預分頻N后得到參考時鐘fref：
???
??? 通過設(shè)置后置分頻器的G0、G1和E值實現(xiàn)分頻和倍頻。輸出的頻率為：
???
式中,fc0和fc1是全局時鐘，為邏輯陣列塊(LAB)提供時鐘；fE則通過I／O單元輸出。
??? 圖5為對PLL模塊仿真結(jié)果。外部晶振輸入高穩(wěn)定時鐘到inclk0引腳，經(jīng)PLL產(chǎn)生2倍頻時鐘c0、3倍頻時鐘cl及經(jīng)分頻的時鐘e0。
??? 可見使用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)能為高速雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分產(chǎn)生時鐘源，也使作為高速緩存的雙時鐘FIF0可應(yīng)用于各種時鐘域場合。

5 結(jié)論
??? 本文在CycloneⅢFPGA中實現(xiàn)異步FIFO和鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，避免復雜的時鐘管理，簡化電路設(shè)計，方便采集系統(tǒng)進行升級維護。高速緩存的設(shè)計使采集數(shù)據(jù)能的安全地實現(xiàn)數(shù)據(jù)跨時鐘域的傳遞，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。