FPGA的毫米波衰减器数控电路设计+源程序(2)
FPGA是英文Field programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需要额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期。提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐。相比于单片机，FPGA在抗干扰与速度上有很大优势[3]。
本文所介绍的系统是一个基于EDA开发平台的的毫米波衰减器数控电路系统，采用流行的VHDL及Verilog语言编程，并在Quartus II设计平台上实现了全部编程设计。
1.2 主要研究工作
本文以FPGA为核心，通过键盘输入来控制衰减器以及LCD显示。总体设计思路如下：键盘输出特性的信号，经过去抖电路处理后送入FPGA的键盘控制模块，经过该模块处理后，输出两路控制信号：一路信号送入衰减器驱动模块，经该模块处理后驱动衰减器；另一路信号送入LCD模块，在LCD上显示当前衰减值。在描述语言方面，本文选择了VHDL与Verilog来描述具体模块。
图1 控制系统及各受控部件框图
2 FPGA原理
2.1 FPGA工作原理及简介
如前所述，FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点[3]。
由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。
根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有 4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入 RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可[4]。下面给出一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理[4]。
表1 4输入与门的真值表
从中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。
由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度 的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单 元等，主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是 Xilinx、Altera、Lattice三家。
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