FPGA為測試測量儀器帶來獨特性能

電子行業(yè)的設(shè)計工程師，在很多應(yīng)用領(lǐng)域包括通信、國防、醫(yī)療和教育等等，都在使用FPGA。在調(diào)試FPGA電路的時候，他們可能不知道，安捷倫的測量儀器本身也使用了FPGA技術(shù)，并且和FPGA供應(yīng)商在研發(fā)領(lǐng)域深入合作，甚至分享一些IP(知識產(chǎn)權(quán))，雙方從測量和調(diào)試的角度積累了大量的經(jīng)驗。實際的設(shè)計往往會綜合使用FPGA和ASIC（專用芯片）來達到*佳效果，安捷倫在其示波器、邏輯分析儀、脈沖源、誤碼儀等產(chǎn)品中，正是采用這樣的綜合設(shè)計。
   
   世上沒有**的儀器，其設(shè)計總是在某一方面優(yōu)化、在某些方面作出妥協(xié)。以基于Windows平臺的示波器為例，哪些功能通過軟件實現(xiàn)、哪些功能通過硬件實現(xiàn)，硬件部分是采用專用芯片還是FPGA，這些都是開發(fā)人需要考慮的問題。本文給出兩個例子，一是中端示波器技術(shù)**集大成產(chǎn)品MSO9000A的設(shè)計，另一是MIPID-PHY協(xié)議分析設(shè)計。

   MSO9000A是三合一儀器，集示波器、邏輯分析、協(xié)議分析于一體，其研發(fā)團隊在設(shè)計前經(jīng)多個回合討論，*終達成共識。其中重要的兩點是：1.示波器功能是基本核心，邏輯分析儀和協(xié)議分析儀是選件，每當有新的協(xié)議技術(shù)出現(xiàn)，該儀器必須可以升級以支持新的標準；2.協(xié)議觸發(fā)必須實現(xiàn)實時性，保證不漏失信號。

   要實現(xiàn)協(xié)議觸發(fā)的實時性，是決不可以用Windows甚至Linux軟件來實現(xiàn)的，同時又要求產(chǎn)品支持不同的協(xié)議種類。因此，MSO9000A設(shè)計者在示波器的前端輸入電路和觸發(fā)電路之間加入了一個FPGA芯片，對串行總線提供實時時鐘恢復(fù)，并檢測串行數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，將串行數(shù)據(jù)包內(nèi)容饋送到示波器的觸發(fā)電路，從而使得示波器可基于串行總線協(xié)議實現(xiàn)硬件觸發(fā)，將來新的協(xié)議出現(xiàn)時，也可以通過升級來支持。用戶設(shè)置特定的協(xié)議觸發(fā)條件，MSO9000示波器通過硬件來確定何時進行觸發(fā)，并執(zhí)行重復(fù)測量或單次測量。

   圖中給出了該設(shè)計的照片，該產(chǎn)品采用20層電路板結(jié)構(gòu)，用了27個專用芯片，3個FPGA，集成到一個采集板中，然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸顯示屏后面，*終的MSO9000A產(chǎn)品很薄，集外觀美觀、靈活、多功能特點于一體。

   圖2給出MIPI-DPHY協(xié)議分析的N4851A硬件電路照片，該電路的作用是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換中心，圖中的FPGA是核心部分，N4851A中的FPGA負責(zé)捕獲和處理MIPID-PHY串行數(shù)據(jù)，然后再轉(zhuǎn)換成多路低速并行數(shù)據(jù)傳送給邏輯分析儀。該FPGA能捕獲和處理的數(shù)據(jù)速率高達800Mbps，而N4861A中的FPGA則負責(zé)將來自邏輯分析儀的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信號。

   FPGA在測量儀器，尤其是高性能儀器中的應(yīng)用，越來越受到重視。要想讓測量儀器具有獨特之處，模擬電路部分固然重要，但在有些方面FPGA的應(yīng)用可能會成為決定產(chǎn)品是否能為用戶接受的關(guān)鍵。安捷倫已經(jīng)在一些方面做出示范，由此可以看出FPGA在行業(yè)的應(yīng)用趨勢在如下幾個方面。1.復(fù)雜觸發(fā)電路的實現(xiàn)：如串行信號協(xié)議觸發(fā)、頻域觸發(fā)等，先鋒產(chǎn)品如MSO9000A的協(xié)議觸發(fā)；2.深存儲數(shù)據(jù)的處理：儀器的存儲深度越來越深是必然趨勢，用FPGA處理可兼顧實時性和可程控性，先鋒產(chǎn)品如DSA90000A的深存儲專用加速處理芯片；3.復(fù)雜運算的處理：均衡和去嵌入等技術(shù)在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數(shù)字處理技術(shù)。因其運算量大，必然影響儀器響應(yīng)速度，適合用FPGA來處理，先鋒產(chǎn)品如DSA90000A的N5465A和N5461A。

   和其他器件一樣，能否用好FPGA，往往取決于使用者對所用的FPGA芯片有多深入的了解?！拔译m然對FPGA本身和我自身專業(yè)很熟悉，但公司多年和FPGA供應(yīng)商研發(fā)部門合作，分享一些內(nèi)部IP，極大地提高了我的開發(fā)效率?！必撠?zé)MSO9000A的FPGA部分的開發(fā)工程師MikeBeyers說，“我在調(diào)試過程中使用的ATC是我們使用FPGA的團隊自己開發(fā)，經(jīng)多年和FPGA供應(yīng)商一起反復(fù)優(yōu)化的，該ATC和整個FPGA調(diào)試方案，我們也對其他使用FPGA的公司開放?！?br>

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