基于FPGA的DSP开发技术

1、电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科 E D A 技技 术术 课课 程程 教教 学学讲授：戴正科2022年7月5日星期二湖南文理学院电气与信息工程学院电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科第第 十三十三 讲讲 基于基于FPGA的的DSP开发技术开发技术 教学目的教学目的：使学生会用使学生会用Quartus II和和DSP Builder软件设计软件设计 DSP应用模块的开发方法。应用模块的开发方法。 教学重点教学重点：通过实例讲解通过实例讲解DSP应用模块的开发方法应用模块的开发方法。 教学难点教学难点：DSPDSP应用模块应用模块的设计步骤。的设

2、计步骤。 教学方法教学方法：讲授法、计算机辅助法。讲授法、计算机辅助法。 课时计划课时计划：2 2学时学时 使用教材使用教材： SOPCSOPC技术与应用江国强技术与应用江国强 编著北京：机械工业出版社编著北京：机械工业出版社 主要参考文献主要参考文献: 1 1 刘洪涛刘洪涛ARMARM嵌入式体系结构与接口技术嵌入式体系结构与接口技术MM北京：人民邮电出版社北京：人民邮电出版社 2 2 田耘等无线通信田耘等无线通信FPGAFPGA设计设计MM北京：电子工业出版社北京：电子工业出版社 3 3 孟宪元等孟宪元等FPGAFPGA嵌入式系统设计教程嵌入式系统设计教程MM北京：电子工业出版社北京：电子工

3、业出版社 4 4 徐光辉等徐光辉等. .基于基于FPGAFPGA的嵌入式开发与应用的嵌入式开发与应用 M.M.北京：电子工业出版社北京：电子工业出版社 5 5 沈文斌沈文斌. .嵌入式硬件系统设计与开发实例详解嵌入式硬件系统设计与开发实例详解 M.M.北京：电子工业出版社北京：电子工业出版社 6 6 周立功等周立功等SOPC嵌入式系统基础教程嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社北京：北京航空航天大学出版社 7 7 王彦等王彦等. .基于基于FPGAFPGA的工程设计与应用的工程设计与应用 M.M.西安：西安电子工业出版社西安：西安电子工业出版社 8 8 周润景等基于周润景等基于Qu

4、artusIIQuartusII的的FPGA/CPLDFPGA/CPLD数字系统设计实例数字系统设计实例MM北京：电子工业出版社北京：电子工业出版社 9 9 http:/www.alterahttp:/ 电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科课题：课题：基于基于FPGA的的DSP开发技术开发技术一、一、MatlabMatlab/DSP Builder/DSP Builder的的DSPDSP模块设计模块设计二二、 基于基于QuartusQuartus II II的的DSPDSP模块调试模块调试 四四、课堂小结课堂小结五、作业五、作业三三、 DSP BuilderDSP Bu

5、ilder的层次设计的层次设计电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科一、一、Matlab/DSP Builder的的DSP模块设计模块设计1. DSP Builder及其设计流程及其设计流程v DSP Builder是一个系统级（或算法级）设计工具，依是一个系统级（或算法级）设计工具，依赖于赖于MathWorks公司的数学分析工具公司的数学分析工具Matlab/Simulink，在，在Simulink中进行中进行图形化设计和仿真图形化设计和仿真，通过，通过SignalCompiler可以把可以把Matlab/Simulink的设计文件（的设计文件（.mdl）转成相应转成相

6、应的硬的硬件描述语言件描述语言VHDL设计文件（设计文件（.vhd），再由），再由FPGA/CPLD开开发工具发工具Quartus II来完成。来完成。 DSP Builder设计流程如下设计流程如下： 第第一一步在步在Matlab/Simulink中进行中进行设计设计输入，即在输入，即在Matlab的的Simulink环境中建立一个环境中建立一个mdl模型模型文件，用图形方式调用文件，用图形方式调用Altera DSP Builder和其它和其它Simulink库中的图形模块库中的图形模块(Block)，构成系统级或算法级设计框图，构成系统级或算法级设计框图(或称或称Simulink设计模型

7、设计模型)。 第第二二步利用步利用Simulink强大的图形化仿真、分析功能，分析此设计模强大的图形化仿真、分析功能，分析此设计模型的正确性，完成型的正确性，完成模型仿真模型仿真。 第第三三步通过步通过SignalCompiler把把Simulink的的模型文件模型文件(后缀为后缀为.mdl)转转化化成成通用的硬件描述语言通用的硬件描述语言VHDL文件文件(后缀为后缀为.vhd)。 第第四四步用步用Quartus II 、ModelSim对以上设计产生的对以上设计产生的VHDL的的RTL代代码和仿真文件进行综合、码和仿真文件进行综合、编译编译适配以及适配以及仿真仿真。电子设计自动化技术电子设计

8、自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科一、一、Matlab/DSP Builder的的DSP模块设计模块设计2.基于基于FPGA的的DSP系统的系统结构可重配置方法系统的系统结构可重配置方法 由于由于不同的配置文件不同的配置文件下载于下载于FPGA后，将能获后，将能获得得不同的硬件结构和硬件功能不同的硬件结构和硬件功能，基于，基于FPGA的的DSP系统的系统结构可重配置方法有：系统的系统结构可重配置方法有： (1) 将多个配置文件将多个配置文件预先存储预先存储在在DSP系统的系统的ROM中，中，系统根据实际需要自动选择下载的配置文件。缺点是配置系统根据实际需要自动选择下载的配置文件。缺点是配置文件

9、数有限。文件数有限。 (2) 将配置文件全部预存在大存储器中，或将配置文件全部预存在大存储器中，或PC机中，由机中，由外围系统选择下载外围系统选择下载配置文件。配置文件。 (3) 通过通过无线遥控无线遥控方式，对远处的方式，对远处的DSP应用系统进行应用系统进行配配置置，从而遥控改变功能模块或系统的硬件结构，达到改变，从而遥控改变功能模块或系统的硬件结构，达到改变技术指标和硬件工作方式的目的。技术指标和硬件工作方式的目的。 (4) 通过通过互联网互联网进行进行配置配置，实现远程硬件结构控制。，实现远程硬件结构控制。电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科一、一、Matlab

10、/DSP Builder的的DSP模块设计模块设计3. DSP应用模块设计示例应用模块设计示例_正弦信号调制电正弦信号调制电路路1）建立Matlab设计模型 （Model）； 注：首先要放置SignalCompiler图标（编译控制符号）电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科一、一、Matlab/DSP Builder的的DSP模块设计模块设计3. DSP应用模块设计示例应用模块设计示例_正弦信号调制电正弦信号调制电路路2）Matlab模型仿真；电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科一、一、Matlab/DSP Builder的的DSP模块设计模块设

11、计3. DSP应用模块设计示例应用模块设计示例_正弦信号调制电正弦信号调制电路路3）使用SignalCompiler进行模型文件的转换；电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科基于硬件描述语言的数字系统设计步骤基于硬件描述语言的数字系统设计步骤 1）创建工程和编辑设计文件）创建工程和编辑设计文件 （1）新建一个文件夹；）新建一个文件夹； （2）输入源程序；）输入源程序； （3）文件存盘。）文件存盘。2）创建工程）创建工程 （1）打开建立新工程管理窗；）打开建立新工程管理窗； （ 2）将设计文件加入工程中；）将设计文件加入工程中； （ 3）选择仿真器和综合器类型；）选择仿真器

12、和综合器类型； （ 4）选择目标芯片；）选择目标芯片； （5）结束设置。）结束设置。3）编译前设置）编译前设置 （ 1）选择目标芯片；）选择目标芯片； （ 2）选择目标器件编程配置方式；）选择目标器件编程配置方式； （ 3）选择输出配置；）选择输出配置； （ 4）选择目标器件闲置引脚的状态；）选择目标器件闲置引脚的状态； （5）编译模式的选择）编译模式的选择4）编译）编译5）波形仿真）波形仿真6）引脚锁定、编译和下载）引脚锁定、编译和下载 二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科二、基于二、基于Quartus I

13、I的的DSP模块调试模块调试1. 对对DSP BuilderDSP Builder 生成的工程文件进行编译生成的工程文件进行编译电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试2. 使用使用Quartus II实现时序仿真实现时序仿真3. 硬件实现与测试硬件实现与测试clocksclrpNoiseSinIn15.0SinDelay15.0StreamMod18.0singeninst（1 1）引脚锁定；）引脚锁定； 与目标芯片的引脚连接关系表与目标芯片的引脚连接关系表（2 2）下载设计文件；）下载设计文件；（3 3）硬件

14、验证设计电路。）硬件验证设计电路。注：注：输出输出需接需接并行并行D/AD/A变换变换的的数据数据输入输入端。端。电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科n示例：正弦信号调制电路应用示例：正弦信号调制电路应用（输出接（输出接DAC0832） 二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试第一步：基于第一步：基于DSP Builder设计模型与设计模型与Quartus文件转换文件转换SignalCompilerScopeRandomNumberab b bXProducto7:0Output5:07:0LUTcIncrementDecrementz-1Dela

15、yibitDATAIN阶梯信号发生器模阶梯信号发生器模块产生块产生26=64个线性个线性递增的地址数据递增的地址数据正弦函数：正弦函数：sin(起始值：步进值：结束值起始值：步进值：结束值)变化范围变化范围-127+127：127*sin(0:2*pi/26):2pi)变化范围变化范围0255：128+127*sin(0:2*pi/26):2pi)电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科n示例：正弦信号调制电路应用示例：正弦信号调制电路应用（输出接（输出接DAC0832） 二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试第一步：基于第一步：基于DSP Buil

16、der设计模型与设计模型与Quartus文件转换文件转换Initial seed用于设置用于设置起始值起始值Variance用于设置偏差用于设置偏差Mean设置随机函数设置随机函数的平均值的平均值Scope”Parameters”(参数设置参数设置)中中“Number of axes”参数为参数为“2”表示双踪示波器表示双踪示波器电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科n示例：正弦信号调制电路应用示例：正弦信号调制电路应用（输出接（输出接DAC0832） 二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试第一步：基于第一步：基于DSP Builder设计模型与设

17、计模型与Quartus文件转换文件转换电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科n示例：正弦信号调制电路应用示例：正弦信号调制电路应用（输出接（输出接DAC0832） 二、基于二、基于Quartus II的的DSP模块调试模块调试第二步：基于第二步：基于Quartus II的工程编译与调试的工程编译与调试clocksclrpDATAINOutput7.0firstDSPinst电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科nDSP Builder的层次设计是利用的层次设计是利用DSP Builder软件工具，将设计好的软件工具，将设计好的DSP模型模型生成生成子系统子系统（SubSystem)，这个子系统是，这个子系统是单个单个元件，元件，可以可以独立独立工作，也可以与其他模块或子系工作，也可以与其他模块或子系统构成更大的设计模型，还可以作为统构成更大的设计模型，还可以作为基层基层模块，被模块，被任意复制任意复制到其他设计模型中。到其他设计模型中。n命令：命令：“Create subsystem”三、三、DSP Builder的层次设计的层次设计In1Out1Out2SubsystemSignalCompilerScopeRandomNumber电子设计自动化技术电子设计自动化技术讲授：戴正科讲授：戴正科课堂小结课堂小结一、一