淺談Chirp函數(shù)的Nios Ⅱ嵌入式實現(xiàn)

引 言

System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。 它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講， SoC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內(nèi)外學術(shù)界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。 集成電路的發(fā)展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進，現(xiàn)已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮?。橹饕卣鞯亩喾N工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導體產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內(nèi)，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現(xiàn)。 SoC設(shè)計技術(shù)始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱碗s的功能集成到單硅片上， SoC正是在集成電路（ IC）向集成系統(tǒng)（ IS）轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。1994年Motorola發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)（用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器）和1995年LSILogic公司為Sony公司設(shè)計的SoC,可能是基于IP核完成SoC設(shè)計的最早報導。由于SoC可以充分利用已有的設(shè)計積累，顯著地提高了ASIC的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速，引起了工業(yè)界和學術(shù)界的關(guān)注。

l 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1為基于FPGA的射電宇宙信號處理框圖。

該設(shè)計是基于SoPC技術(shù)設(shè)計的Chirp函數(shù)信號發(fā)生器，該系統(tǒng)把微處理器模塊和DDS模塊集成到單片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部，通過在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ編寫的程序，實時控制微處理器對DDS的控制字輸出，DDS模塊根據(jù)頻率控制字的不同，輸出不同的數(shù)字化正弦波。使之符合Chirp函數(shù)的時變頻率特征。Chirp函數(shù)根據(jù)輸出頻率的遞變規(guī)律一般分為兩種：線性Chirp函數(shù)和非線性Chirp函數(shù)，以下是兩種Chirp函數(shù)在頻域上的表現(xiàn)圖如圖2，圖3所示。

從圖2，圖3可以看出Chirp函數(shù)的頻率輸出與時間的f-t關(guān)系可以總結(jié)為：

（1）對于線性Chirp函數(shù)

在連續(xù)域時間域內(nèi)有關(guān)系式：

式中：k為常數(shù)；f0為初始輸出頻率；t為連續(xù)時間。

在離散時間域有關(guān)系式：

式中：k為常數(shù)；f0為初始輸出頻率；n為采樣點。

（2）對于非線性Chirp函數(shù)

在連續(xù)域時間域內(nèi)有關(guān)系式：

式中：f為非線性函數(shù)；f0為初始輸出頻率；t為連續(xù)時間。

在離散時間域有關(guān)系式：

式中：f為非線性函數(shù)；f0為初始輸出頻率；n為采樣點。

因此該Chirp信號源的功能是：在NiosⅡ中建立的微控制器；使用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ建立對DDS頻率控制字輸出實時改變的任務(wù)；根據(jù)線性和非線性Chirp函數(shù)的特點控制字的輸出根據(jù)需要線性或者非線性輸出，并且在此設(shè)計中將該任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為最高。利用VHDL語言編寫DDS模塊，首先根據(jù)Matlab計算出需要的正弦數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)存儲于ROM中供DDS模塊調(diào)用，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 DDS模塊的設(shè)計

一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分（如Q2220）。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù)頻率控制碼在每個時鐘周期內(nèi)進行相位累加，得到一個相位值；正弦計算器則對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。在各行各業(yè)的測試應(yīng)用中，信號源扮演著極為重要的作用。但信號源具有許多不同的類型，不同類型的信號源在功能和特性上各不相同，分別適用于許多不同的應(yīng)用。目前，最常見的信號源類型包括任意波形發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，RF信號源，以及基本的模擬輸出模塊。信號源中采用DDS技術(shù)在當前的測試測量行業(yè)已經(jīng)逐漸稱為一種主流的做法。

數(shù)字式頻率合成器（DDS）模塊的工作原理是：將O～2π的正弦函數(shù)值分為N份，將各點的幅度值存入ROM中，再用一個相位累加器每次累加相位值ωT，得到當前的相位值，通過查找ROM得到當前的幅度值。其系統(tǒng)框如圖5所示。

DDS的幾個主要參數(shù)是：系統(tǒng)時鐘頻率，頻率控制字長，頻率分辨率，ROM單元數(shù)，ROM字長。該設(shè)計的DDS是32位的，時鐘頻率為50 MHz，頻率控制字長為32位，ROM單元數(shù)為2的11次方，ROM字長為16位。而且有如下關(guān)系：

頻率分辨率=系統(tǒng)時鐘頻率／232；

頻率控制字（FTW）=f×232／T；

其中：f為要合成的頻率；T為系統(tǒng)時鐘。

DDS的工作過程為：每次時鐘的上升沿到來時，相位累加器（32位）中的值累加上頻率寄存器（32位）中的值，再利用累加器的高11位作為地址進行ROM查表，輸出相應(yīng)的幅值數(shù)字信號。

如果是掃頻工作，只需要根據(jù)一定的規(guī)律實時修改頻率控制字，就可以達到掃頻輸出的目的。但是該系統(tǒng)的性能受到以下兩個方面的制約：ROM單元數(shù)和ROM數(shù)值的有限字長。由于ROM大小的限制，ROM的單元地址位數(shù)一般都遠小于相位累加器的位數(shù)，這樣只能取相位累加器的高位作為ROM的地址進行查詢，這就相當于引入了一個相位誤差。為了解決ROM的受限問題，該設(shè)計采用ROM壓縮技術(shù)。因為正弦函數(shù)存在對稱和反轉(zhuǎn)特性，即：

對于O～2兀的幅度值，可以只存儲O～π／2的部分。這樣原本需要的2的11次方個單元的ROM現(xiàn)在只需要2的9次方個單元的ROM就可以實現(xiàn)。在MatIab中產(chǎn)生16位512點的O～π／2正弦波數(shù)據(jù)的命令如下：

將Y數(shù)據(jù)依次存入Altera公司提供的Megawiz-ard宏單元實現(xiàn)的ROM中即可。

3 嵌入式微處理器的實現(xiàn)

嵌入式微控制器的典型代表是單片機（Microcontroller Unit），這種８位（8根數(shù)據(jù)線，8位指令）的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。嵌入式微處理器的設(shè)計包括3個部分：利用SoPCBuilder定制的軟核CPU，在QuartusⅡ環(huán)境下設(shè)計的電路和NiosⅡ編程。

本設(shè)計的軟核CPU采用NiosⅡ／S標準型內(nèi)核，帶有16 KB的Cache；集成了外部的FLASH和SDRAM控制器用于保存程序數(shù)據(jù)；Jtag_Hart電腦開發(fā)板傳輸接口用于建立良好的用戶交互接口使用戶能在console界面上觀察程序運行情況；兩個位寬分別為8位和3位的輸出口作為輸出DDS模塊的控制字。

NiosⅡ的編程主要是基于嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，μC／OS-Ⅱ是一個完整的、可移植、固化和剪裁的占先式實時多任務(wù)核（Kernel）。從1992年發(fā)布至今，μC／OS-Ⅱ已經(jīng)有了上百個的商業(yè)應(yīng)用案例，在40多種處理器上成功移植。

μC／OS-Ⅱ提供以下系統(tǒng)服務(wù)：任務(wù)管理（TaskManagement）；事件標志（Event Flag）；消息傳遞（Message Passing）；內(nèi)存管理（Memory Management）；信號量（Semaphores）；時間管理（Time Management）。

在該設(shè)計中建立一個主函數(shù)和兩個任務(wù)函數(shù)，主函數(shù)的功能：調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)初始化函數(shù)OSTaskCreateExt（）初始化兩個任務(wù)函數(shù)：調(diào)用系統(tǒng)開始函數(shù)OSStart（）啟動系統(tǒng)開始工作。

任務(wù)1：實時的改變DDS控制字的輸出，并且保持一段時間，在遍歷完所有的需要頻率以后，延遲調(diào)用系統(tǒng)延遲函數(shù)OSTimeDlyHMSM（），延遲63 s將該使用權(quán)交付給任務(wù)2。

任務(wù)2：為了保證該系統(tǒng)以后能有功能擴展，建立一個任務(wù)，其僅僅是通過函Jtag_uart接口使用函數(shù)printf（），向電腦發(fā)送一個任務(wù)2已經(jīng)開始工作的提示信息，如果以后需要擴展功能則只需修改任務(wù)2即可。程序的具體流程圖如圖6所示。

在任務(wù)1中實時改變變量i的值步進為1，通過定義的Chirp函數(shù)關(guān)于時間和輸出頻率控制字之間的關(guān)系函數(shù)function（），計算得到此時的頻率控制字f，并且將f的值通過API函數(shù)IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（）從I／O端口輸出以控制DDS，然后延遲2 s使DDS保持該輸出頻率一段時間，并且通過Jtag_uart端口在Console調(diào)試界面向用戶提示當前的信號源的輸出頻率，程序如下：

圖7為QuartusⅡ中生成的嵌入式軟核示意圖。

4 結(jié) 語

該設(shè)計在21controll公司提供的V4.O FPGA／SoPC開發(fā)學習套件上面通過仿真驗證，該套件的核心芯片為CycloneⅡ系列：EP2C20F484C8，其具有18 752個邏輯單元（LE）和52個M4K RAM塊，能夠很好地設(shè)計存儲需要的數(shù)據(jù)，完全符合設(shè)計要求。