在可配置系統中實(shí)現模擬I/O

隨著(zhù)一種新產(chǎn)品——我們在Missing Link Electronics公司稱(chēng)之為“智能產(chǎn)品”的面市，嵌入式系統的發(fā)展出現了新動(dòng)向。這一名詞源自最近新出現的一個(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：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，以及很強的本地處理能力等。

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

隨著(zhù)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，報告狀態(tài)。逐步的，新產(chǎn)品將加入“物聯(lián)網(wǎng)”：設備之間通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )共享計算資源，進(jìn)行控制，傳遞狀態(tài)信息，還可以在云中通過(guò)深度計算和存儲資源進(jìn)行交互。目前對這類(lèi)系統的設計和行為進(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/機械目標系統發(fā)展緩慢，在某些情況下，數十年不會(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(zhù)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系統的智能部分和目標部分之間的接口帶來(lái)了很大的壓力。

當然，可以通過(guò)軟件來(lái)解決這一問(wèn)題?？梢栽跇藴蔆PU內核上運行代碼來(lái)實(shí)現智能產(chǎn)品的功能，而且還可以進(jìn)行修改。但是，對物理接口接觸越深——智能系統和目標系統之間，或者智能系統及其傳感器和網(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，以及數字和模擬傳感器感應器的實(shí)際鏈接中，通常需要硬件來(lái)加速對時(shí)間要求較高的互操作。

這一問(wèn)題的數字部分已經(jīng)有FPGA應用。這些器件的最早應用是在數字接口中。目前，引腳數很多的大容量FPGA支持實(shí)現完整的智能系統。這樣，設計的所有數字部分，從接口到加速器和CPU內核，可以在現場(chǎng)針對用戶(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)法配置智能系統和目標系統之間接口上的模擬信號通路，或者無(wú)法在智能系統本身增加傳感器等，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，一種新應用怎樣使用模擬信號——而接口目前還不能提供這類(lèi)信號?在現場(chǎng)修改，增加模數轉換器(ADC)和信號調理電路不太可行。

對此，人們不太注意的FPGA特性就顯得非常重要了。高級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，可以高達數百兆(MHz)。這一事實(shí)非常明顯，因為L(cháng)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建delta-sigma調制器(DSM)：即，過(guò)采樣ADC。

DSM是多種信號目前最好的數據轉換方法，而且精度比較高。當然，其結構也可以用于建立數模轉換器(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”，對差值進(jìn)行求和——輸入信號和反饋信號之間的“delta”部分。1比特ADC只是比較器，1比特DAC是脈沖寬度調制數字輸出。當積分電路輸出高于參考電壓時(shí)，采樣電路接通DAC，逐步驅動(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字表征。

圖1.DSM技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現模數轉換器和數模轉換器。

這涉及到一些關(guān)鍵點(diǎn)。在實(shí)際中，DSM會(huì )使用遠遠高于Nyquist頻率的采樣率，而這是傳統閃存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。這些相結合，過(guò)采樣擴展了采樣噪聲功率譜，噪聲整形功能將噪聲移出了信號帶寬，如圖2所示。這些理念相結合，僅使用FPGA的可配置I/O引腳以及少量的外部無(wú)源器件就能夠構建非常好的ADC和DAC。

圖2.過(guò)采樣和噪聲整形功能能夠將大部分采樣噪聲從信號帶寬中去掉。

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

圖3.delta調制器(左側)與DSM (右側)有完全不同的噪聲特性。

很顯然，在模擬設計中，不能忽略FPGA LVDS引腳的模擬行為。相應的，有限振幅判決時(shí)間、亞穩態(tài)以及其他因素等都極大的影響了轉換的信噪比(SNR)。如圖4所示，從原理上畫(huà)出了這些非線(xiàn)性效應，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)現最佳SNR，即，最大有效比特數(ENOB)。

圖4.無(wú)源網(wǎng)絡(luò )和比較器特性相結合，確定了轉換器設計的最佳點(diǎn)。

整個(gè)ADC/DAC電路的SPICE級仿真，包括FPGA LVDS引腳的SPICE詳細表征，實(shí)際是找到圖4中最佳點(diǎn)的最好方法，即，對于某一采樣頻率和輸入電壓，配置DSM的最優(yōu)參數。如果沒(méi)有合適的參數，DSM會(huì )不穩定，出現所謂的限制周期，劣化轉換的質(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，我們在這里并沒(méi)有討論低速、低分辨率的轉換器。這一方法可以用于為系統監控等應用中的不關(guān)鍵慢變信號提供低成本轉換器。而這些DSM也適用于任務(wù)關(guān)鍵信號的信號通路。Missing Link Electronics公司開(kāi)發(fā)人員社區：www.missinglinkelectronics.com/devzone/的技術(shù)摘要上提供這些“軟ADC”和“軟DAC”質(zhì)量的詳細信息。

但是，恰當的優(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計技能，正確的使用FPGA引腳的電信號特性信息。換言之，這通常是專(zhuān)業(yè)知識產(chǎn)權(IP)供應商的工作。

為了能夠采用這一ADC/DAC方法實(shí)現可配置系統，我們推薦圖6中的可配置模擬I/O體系結構。它在可配置ADC/DAC中結合了ADC單元和DAC單元，在轉換器和先進(jìn)的數字信號處理(DSP)之間設置了轉換濾波器。在我們的試驗中，我們發(fā)現，在大多數情況下，與其他需要大量資源的濾波器相比，輕量級抽取濾波器能夠產(chǎn)生優(yōu)異的SNR結果。

圖6.實(shí)現這些DSM最有效的方法是采用第三方IP內核。

這意味著(zhù)，智能系統中的模擬I/O數量主要受限于目的系統所使用的FPGA引腳的數量。設計將其他寶貴的FPGA資源——邏輯單元和片內存儲器，大部分留給了開(kāi)發(fā)您的專(zhuān)用數字硬件。

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

簡(jiǎn)歷

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

Christian Grumbein是Missing Link Electronics公司的設計工程師，擅長(cháng)于微控制器設計和電源設計。他獲得了德國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。結合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)現他們的系統。MLE總部位于硅谷，辦事處設在德國。