NI矢量信號收發(fā)器的FPGA編程

1. 介紹

NI VST FPGA軟件包含多層代碼，提供了從底層控制到高層抽取的一切，擁有RF信號分析儀和RF信號發(fā)生器的功能。底層組件實(shí)現(xiàn)了具體硬件的標(biāo)準(zhǔn)功能，包括信號 校準(zhǔn)、前端控制，以及基于記錄的采集和生成，被稱為儀器設(shè)計(jì)庫。這些庫提供了互相匹配的主機(jī)和FPGA代碼對，并且可以聚集以構(gòu)建完整的硬件設(shè)計(jì)。 LabVIEW項(xiàng)目樣例包含了基于儀器設(shè)計(jì)庫的相關(guān)主機(jī)和FPGA代碼，提供了開發(fā)各種應(yīng)用所需要的模板。另外，NI-RFSA和NI-RFSG儀器驅(qū)動(dòng) 還支持VST儀器驅(qū)動(dòng)FPGA擴(kuò)展，使VST FPGA源代碼完美適合具體應(yīng)用。

2. 儀器設(shè)計(jì)庫

NI提供矢量信號收發(fā)器所用的多種儀器設(shè)計(jì)庫。如上文所述，這些儀器設(shè)計(jì)庫存在于用戶和生產(chǎn)廠商的關(guān)于主機(jī)端和FPGA的代碼中，，實(shí)現(xiàn)了儀器的常見功能。表2列出了一些頂層儀器設(shè)計(jì)庫及其功能。

表 1. NI VST所用頂層儀器設(shè)計(jì)庫。

ni.com/vst/getting-started/zhs/所列軟件安裝了這些儀器設(shè)計(jì)庫，在硬盤的 c:\Program Files\National Instruments\LabVIEW [version]\instr.lb\位置。這些庫具有顏色和諧的粗邊框，與其他VI明顯有別。

圖1：儀器設(shè)計(jì)庫具有顏色和諧的粗邊框，此獨(dú)特圖標(biāo)使其與其他VI相區(qū)別

另外，這些庫在默認(rèn)情況下處于鎖定狀態(tài)，用戶在修改內(nèi)容之前，需要先通過會(huì)話框?qū)I解鎖。下文所述是使用這些儀器設(shè)計(jì)庫的詳細(xì)信息，適用于任何更改。

在給定儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)與FPGA之間交換數(shù)據(jù)可采用多種機(jī)制。所有采用LabVIEW RIO架構(gòu)和LabVIEW FPGA的NI產(chǎn)品均使用NI-RIO驅(qū)動(dòng)，此驅(qū)動(dòng)提供了單點(diǎn)方式的、存儲(chǔ)器映射、基于寄存器的主機(jī)至FPGA以及FPGA至主機(jī)通信，還有從主機(jī)至 FPGA以及FPGA至主機(jī)的多點(diǎn)連續(xù)DMA FIFO。這些都是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與FPGA之間的有效通信不需要了解或者只要些許了解底層總線架構(gòu)。

儀器設(shè)計(jì)庫的一個(gè)常見要求是：主機(jī)代碼需要將大量的設(shè)置下載到設(shè)備中，例如要對與FPGA相連接的芯片寄存器進(jìn)行編程，或者更新設(shè)置組，例 如FPGA上的濾波器抽頭。由于一些儀器設(shè)計(jì)庫要求采用此策略，并且設(shè)備的DMA通道數(shù)目有限，所以這些庫可能需要共享一個(gè)FIFO，從而需要在主機(jī)端和 FPGA端增加額外的邏輯來實(shí)現(xiàn)。另外，對于大數(shù)據(jù)集來說，此類通信一般為單向，但是可能也需要提供從FPGA至主機(jī)的某種單點(diǎn)確認(rèn)，例如確認(rèn)所有設(shè)置均 已成功應(yīng)用等等。所有這些概念組成為一個(gè)單獨(dú)概念，稱為寄存器總線，并為一些儀器設(shè)計(jì)庫所采用。

寄存器總線使用一個(gè)主機(jī)到FPGA端的 DMA FIFO來下載設(shè)置，以及一些寄存器/NI-RIO控制器和指示器，用于握手，將單點(diǎn)數(shù)據(jù)返回主機(jī)，或者發(fā)出信號，確認(rèn)已下載設(shè)置中的指令已經(jīng)應(yīng)用。

圖 2. 寄存器總線是基于NI-RIO DMA、控制器和指示器構(gòu)建的輕質(zhì)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了大量設(shè)置組至FPGA的高效下載，這是給定儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)與FPGA側(cè)之間的常見要求。

為了完成仲裁，每個(gè)儀器設(shè)計(jì)庫均有一個(gè)獨(dú)一無二的子系統(tǒng)ID，從而使得多個(gè)庫能夠共享一條寄存器總線。為了更好地總結(jié)VST儀器設(shè)計(jì)庫的通信策略，表2說明了每個(gè)庫所采用的策略。

表 2. NI PXIe-5644R儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)與FPGA數(shù)據(jù)交換機(jī)制。

另外，通過與嵌入式配置儀器設(shè)計(jì)庫配合使用，寄存器總線還可以在不牽涉主機(jī)的情況下完成FPGA觸發(fā)的重新配置。

由于儀器設(shè)計(jì)庫代表了賣主與用戶代碼之間的已定義接口，所以位于主機(jī)和FPGA兩者的調(diào)色板上。在LabVIEW VI方塊圖的主機(jī)情境下，儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)側(cè)接口見于Functions>>FPGA Interface>>NI PXIe-5644R 或者 Functions>>FPGA Interface>>NI PXIe-5645R。在FPGA側(cè)，則位于Functions>>NI PXIe-5644R 或者 Functions>>NI PXIe-5645R下。

VST儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)調(diào)色板

VST儀器設(shè)計(jì)庫的FPGA調(diào)色板

圖 3. NI VST儀器設(shè)計(jì)庫的主機(jī)和FPGA調(diào)色板。FPGA調(diào)色板包含了實(shí)現(xiàn)常用底層功能的其他儀器設(shè)計(jì)庫

3. LabVIEW項(xiàng)目樣例

NI VST儀器設(shè)計(jì)庫的能力強(qiáng)大，但是并不能單槍匹馬地完全滿足軟件設(shè)計(jì)儀器實(shí)現(xiàn)默認(rèn)功能的要求，也不能提供大多數(shù)VSA和VSG儀器編程人員所熟悉的簡單主機(jī)接口。

LabVIEW 2012提供了一個(gè)新功能，這種方便的機(jī)制不僅能夠分配附加代碼，從而提供默認(rèn)、預(yù)編譯的功能和一個(gè)方便的主機(jī)接口，而且還使用戶能夠輕松地掌握這些代 碼。此機(jī)制是LabVIEW項(xiàng)目樣例，將LabVIEW項(xiàng)目、具體VI，以及相關(guān)文件復(fù)制到用戶指定的硬盤位置。另外還提供文件重命名和更新VI標(biāo)題的能力。

圖 4.利用LabVIEW 2012項(xiàng)目樣例，軟件設(shè)計(jì)儀器的用戶可以完全掌握代碼的相關(guān)部分。

NI PXIe-5644R的軟件安裝程序能夠創(chuàng)建具有不同特征的多個(gè)項(xiàng)目樣例。最類似于默認(rèn)VSA和VSG功能的項(xiàng)目是Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例。此項(xiàng)目樣例提供了與其他VSA和VSG API相似的主機(jī)接口。Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例的高層架構(gòu)和數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖 5. Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例在主機(jī)和FPGA上聚集儀器設(shè)計(jì)庫，提供了一個(gè)VSA和VSG用戶所熟悉的起點(diǎn)

從Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例的FPGA VI開始，有四個(gè)主要回路，一些附加功能位于過程subVI內(nèi)。為配置NI VST的所有可編程組件，以及FPGA上的一些儀器設(shè)計(jì)庫，配置回路從主機(jī)處接收寄存器和設(shè)置，然后將其分布至各個(gè)FPGA子系統(tǒng)和外部電路。為了提高性 能以及使主機(jī)上的多個(gè)過程均能夠獨(dú)立訪問，有兩個(gè)寄存器總線。一個(gè)用于采集，另一個(gè)用于生成，并且每一個(gè)都必須能夠配置共享資源，例如計(jì)時(shí)。

圖 6. 配置回路負(fù)責(zé)接收主機(jī)的數(shù)據(jù)以及對儀器進(jìn)行編程

RF輸入回路獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)據(jù);進(jìn)行復(fù)矢量校準(zhǔn);并進(jìn)行頻移、相位校準(zhǔn)、減損，以及可變、部分、防混疊抽選。另外，RF輸入回路還實(shí)現(xiàn)了同步以及數(shù)字式功率水平觸發(fā)，然后將數(shù)據(jù)寫入FIFO，并最終寫入DRAM。

圖 7. RF輸入回路以可配置I/Q速率生成已校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并將其寫入DRAM。

RF輸出循環(huán)類似于RF輸入循環(huán)，但是操作順序相反。來自DRAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插、定標(biāo)、頻移、相位校準(zhǔn)、內(nèi)插、校準(zhǔn)，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成。另外還有觸發(fā)和同步所用信號。

圖 8. RF輸出循環(huán)檢索來自DRAM的數(shù)據(jù)然后生成數(shù)據(jù)

過程子VI包含有循環(huán)和狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)記錄采集和DRAM控制器對波形的排序。這些子VI包含了大量代碼，滿足了大帶寬和低滯后性能 要求，確保這些子VI能夠在全速率ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換下溢出，以及產(chǎn)生全速率DAC數(shù)據(jù)而不發(fā)生下溢，同時(shí)仍然與主機(jī)之間進(jìn)行波形數(shù)據(jù)傳輸。

讀取循環(huán)實(shí)現(xiàn)的功能可以存在于多記錄采集過程之內(nèi)，然而為了方便起見而將其顯示出來。該循環(huán)可以再數(shù)據(jù)離開DRAM時(shí)并在被發(fā)送到主機(jī)前進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理。此路徑在它自己的回路之內(nèi)，從而那些并不符合120 MHz RF輸入和輸出回路的定時(shí)要求的IP仍然可以使用。為了適應(yīng)這種IP，稍微降低此回路速率并不會(huì)影響讀取性能，然而如果降得過多，則只會(huì)增加數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī) 所需時(shí)間。這樣即使采樣內(nèi)存被填滿了，也不會(huì)丟失樣點(diǎn)或破壞數(shù)據(jù)。

圖 9.讀取循環(huán)提供了在已采集數(shù)據(jù)返回主機(jī)之前對其進(jìn)行處理的機(jī)會(huì)。在默認(rèn)情況下，讀取回路返回原始數(shù)據(jù)。

雖然頂層FPGA VI集合了13個(gè)儀器設(shè)計(jì)庫的功能，然而在主機(jī)上對所有這些庫進(jìn)行獨(dú)立編程仍然不方便，并且此應(yīng)用層主機(jī)代碼一點(diǎn)也不像傳統(tǒng)的VSA或者VSG API。為了解決此問題，Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例包含了一個(gè)附加主機(jī)層，將這些儀器設(shè)計(jì)庫集合在一個(gè)接口內(nèi)，提供了與供應(yīng)商定義的VSA/VSG API相類似的功能。LabVIEW類為此提供了一個(gè)方便的機(jī)制，即提供一個(gè)嚴(yán)格類型的會(huì)話，公有和私有方法，以及一個(gè)方便的子VI圖標(biāo)頭文件保持機(jī)制。 請注意，LabVIEW類中面向?qū)ο蟮睦^承，并沒有用于此主機(jī)接口。

圖 10.LabVIEW類提供了一個(gè)方便的功能集合和主機(jī)接口保持機(jī)制。

這個(gè)簡單的 VSA/VSG樣例項(xiàng)目還提供了常見的RF VSA和VSG操作所用的若干個(gè)主機(jī)樣例，這些樣例說明了如何正確使用主機(jī)接口。這些樣例涵蓋頻域和I/Q采集;CW和基于序列的波形發(fā)生;以及多輸入多輸出(MIMO)同步。

圖 11.一些主機(jī)樣例說明了Simple VSA/VSG項(xiàng)目樣例使用基于類的主機(jī)接口的方法

簡單 VSA/VSG項(xiàng)目樣例包含極多功能，并提供了熟悉的主機(jī)接口。然而該實(shí)用工具的代價(jià)就是代碼的復(fù)雜度。具體地說，F(xiàn)PGA上的DRAM采用基于波形的抽 取，顯著增加代碼量、復(fù)雜度，以及VST FPGA資源占用。然而，并不是所有應(yīng)用均需要基于波形或者儀器數(shù)據(jù)移動(dòng)范式。一些應(yīng)用更加適合實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)移動(dòng)架構(gòu)。對于這些應(yīng)用，VST Streaming項(xiàng)目范例是一個(gè)更好的起點(diǎn)，自定義的自由度更廣。

圖 12.VST Streaming項(xiàng)目樣例在主機(jī)和FPGA上集合了儀器設(shè)計(jì)庫，提供了一個(gè)靈活地開發(fā)實(shí)時(shí)、低滯后信號處理和嵌入式應(yīng)用的起

VST Streaming項(xiàng)目樣例的頂層FPGA VI的架構(gòu)與簡單 VSA/VSG項(xiàng)目樣例相近。然而如果仔細(xì)考察，會(huì)發(fā)現(xiàn)要簡單得多?？梢悦黠@看出，VST Streaming沒有代碼量極多的配置過程。配置循環(huán)也簡單得多，只有一條寄存器總線而非兩條，并且所有子系統(tǒng)均包在一個(gè)子VI中。

圖 13.VST Streaming項(xiàng)目樣例中的FPGA VI配置回路，只有一個(gè)寄存器總線接口，比Simple VSA / VSG要簡單得多

VST Streaming項(xiàng)目樣例沒有獨(dú)立的采集和發(fā)生循環(huán)，而是所有模擬I/O均采用一個(gè)循環(huán)。對于要求RF輸入輸出之間的相位關(guān)系已知的應(yīng)用，由于ADC和 DAC使用相同的采樣時(shí)鐘，此架構(gòu)提供了兩者之間的確定性同步。DSP和VST Streaming項(xiàng)目樣例的校準(zhǔn)類似于VSA / VSG。

兩個(gè)項(xiàng)目樣例FPGA VI之間的主要區(qū)別是：VST Streaming項(xiàng)目樣例使用輕質(zhì)機(jī)制完成與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。它采用簡單的流控制器，支持基本觸發(fā)、連續(xù)和間斷流，以及溢出和下溢檢測。這些控制器 中斷信號源與目的地之間的2線握手信號，有效地選通數(shù)據(jù)流?？刂破鞑恢С秩?線握手方案，該方案能夠調(diào)整上游節(jié)點(diǎn)或者被下游節(jié)點(diǎn)所調(diào)整;因此，系統(tǒng)特性化 以及確保這些流控制器控制的所有FIFO均能夠以要求的速率產(chǎn)生或消耗數(shù)據(jù)就落到了程序員的肩上。在VST Streaming項(xiàng)目樣例中通過簡單的更改默認(rèn)情況下完成與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)的FIFO，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)流傳輸?shù)絍ST FPGA上的其他位置以進(jìn)行進(jìn)一步處理，或者通過PXI Express背板，利用P2P傳輸至其他模塊。

圖 14.FPGA流控制器和FIFO封裝實(shí)現(xiàn)基本流控制，并且能夠輕松改變數(shù)據(jù)流的源及目的地路線。

現(xiàn)在來看VST Streaming項(xiàng)目樣例的主機(jī)端，雖然機(jī)制與Simple VSA/VSG不同,也存在類似于儀器設(shè)計(jì)庫主機(jī)組件的集成，。VST Streaming項(xiàng)目樣例不使用LabVIEW類，而是將功能簡單地集成到子VI中，并將會(huì)話傳遞至子VI之間的寄存器總線。此寄存器總線會(huì)話還包含有 FPGA VI 引用，因此所有這些子VI不僅能夠訪問寄存器總線通信策略，而且還可以訪問NI-RIO FIFO和控制器。另外，不存在獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集和生成會(huì)話;所有VI均使用同一會(huì)話。

圖 15.VST Streaming項(xiàng)目樣例主機(jī)接口具有一個(gè)基于寄存器總線的會(huì)話線，用于采集和生成subVI。在邏輯上，此樣例將采集和生成分組成為獨(dú)立的行，以方便閱讀。.

VST Streaming項(xiàng)目樣例提供兩個(gè)主機(jī)樣例。較簡單的一個(gè)樣例把從VST處采集得到的增多的或者連續(xù)的波形數(shù)據(jù)傳輸至VST進(jìn)行生成，。比較高級的樣例說明了多個(gè)VST的MIMO同步。

圖 16.這些樣例說明了VST Streaming項(xiàng)目樣例的主機(jī)接口

4. 儀器驅(qū)動(dòng)FPGA擴(kuò)展

儀器驅(qū)動(dòng)FPGA擴(kuò)展提供了一種兼容NI-RFSA和NI-RFSG儀器驅(qū)動(dòng)的VST FPGA編程方法。FPGA上的抽取層實(shí)現(xiàn)了所需要的儀器驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)提供接口以改善具體應(yīng)用的FPGA。雖然不像儀器設(shè)計(jì)庫的直接編程那樣靈活，然而 儀器驅(qū)動(dòng)FPGA擴(kuò)展支持的修改類型與標(biāo)準(zhǔn)信號分析儀和信號發(fā)生器的基于記錄的采集和生成模式相一致。

圖 17. 儀器驅(qū)動(dòng)FPGA擴(kuò)展架構(gòu)包含VST儀器設(shè)計(jì)庫，并且增加了一個(gè)抽取層以保護(hù)組件。用戶IP不在此代碼中，由主機(jī)進(jìn)行控制，并且不受預(yù)編譯封閉源NI-RFSA和NI-RFSG的影響

5. 大型FPGA開發(fā)考慮事項(xiàng)

The Virtex-6 LX195T FPGA on the NI PXIe-5644R and the NI PXIe-5645R is a large FPGA, though the full suite of instrument design libraries consumes a considerable fraction of the available resources. As such, compilation times can take 5 hours or more when using the NI LabVIEW FPGA Compile Cloud Service, depending on the complexity and resource utilization of the FPGA design. Furthermore, FPGA compilation is a non-deterministic process, and as a design consumes more FPGA resources, the repeatable compilation success rate drops below 100%. For such designs, initiating multiple compiles in parallel can help to ensure a successful compilation in approximately the same time as a single compilation. Table 3. provides some estimates for the different FPGA designs discussed in this paper.

表3. 各種VST FPGA設(shè)計(jì)的編譯時(shí)間、成功率和FPGA占用率。