前言

在自動(dòng)化領(lǐng)域，FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的作用越來(lái)越重要。這些設(shè)備構(gòu)成控制單元的大腦，控制單元包含控制系統(tǒng)各種功能的邏輯。

從環(huán)境中收集信息的不同傳感器信號(hào)被傳遞到FPGA，并驅(qū)動(dòng)必要的控制輸出。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，迫切需要對(duì)各種輸入和輸出條件下的電路行為有一個(gè)全面了解。

SaberRD是一款綜合仿真軟件，可以虛擬設(shè)計(jì)和驗(yàn)證任何與電氣系統(tǒng)有關(guān)的東西。健壯的仿真引擎為模擬和混合信號(hào)系統(tǒng)提供了可靠的資源。該仿真器支持VHDL-AMS，它是IEEE標(biāo)準(zhǔn)VHDL語(yǔ)言的擴(kuò)展，主要用于FPGA和其他數(shù)字系統(tǒng)的建模。

此設(shè)計(jì)示例演示了在SaberRD中包含F(xiàn)PGA的系統(tǒng)仿真。該設(shè)備使用VHDL語(yǔ)言建模，系統(tǒng)仿真的目的是為監(jiān)視器提供適當(dāng)?shù)男盘?hào)，系統(tǒng)通過(guò)VGA接口將八種顏色的視頻發(fā)送到顯示器。

VGA顯示系統(tǒng)介紹

當(dāng)今的系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，必須針對(duì)所有可能的組合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。以下分別說(shuō)明示例系統(tǒng)的詳細(xì)信息。

1、 數(shù)字系統(tǒng)仿真

數(shù)字系統(tǒng)由以離散步長(zhǎng)改變信號(hào)狀態(tài)的代碼組成。FPGA是數(shù)字系統(tǒng)，它接收數(shù)字輸入并根據(jù)設(shè)備上編程的邏輯提供數(shù)字輸出。來(lái)自各種外設(shè)（例如傳感器和驅(qū)動(dòng)器）的信息通常是模擬性質(zhì)的，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信息傳輸?shù)紽PGA。同樣，F(xiàn)PGA的輸出通過(guò)接口將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為有意義的輸出。

此類設(shè)備可以使用VHDL語(yǔ)言輕松建模。隨著仿真需求的增加，大多數(shù)設(shè)備制造商通常會(huì)在組件上附帶VHDL或其他仿真模型，以便設(shè)計(jì)工程師可以在原型構(gòu)建過(guò)程之前仿真完整的行為。SaberRD支持VHDL-AMS語(yǔ)言，它是VHDL語(yǔ)言的混合信號(hào)擴(kuò)展。因此，這些模型可以很容易地用于仿真使用這些FPGA或其他數(shù)字系統(tǒng)的系統(tǒng)。

2、 VGA顯示系統(tǒng)

在本設(shè)計(jì)示例中，VGA 顯示由 FPGA的三位數(shù)字輸出構(gòu)成。數(shù)字輸出由兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，如圖 1所示。第一個(gè)產(chǎn)生水平和垂直同步信號(hào)的模塊定義為同步模塊(sync_mod)，第一個(gè)模塊還產(chǎn)生第二個(gè)模塊圖像生成模塊(img_gen) 所需的信號(hào)。

圖 1帶有兩個(gè)模塊的頂層原理圖

img_gen模塊的輸出是三位輸出。這意味著VGA顯示器中可以有8種組合，因此可以有8種顏色。位組合的數(shù)字輸出與VGA顏色輸出對(duì)應(yīng)如表 1所示。

表 1數(shù)字輸出與VGA顏色輸出對(duì)應(yīng)表

3、 同步模塊

同步模塊為VGA顯示器生成垂直和水平同步信號(hào)。該模塊具有三個(gè)輸入，它們是：

1. 開(kāi)始 --- 這將激活/停用模塊
2. 時(shí)鐘 --- 系統(tǒng)時(shí)鐘
3. 重置 --- 重置同步模塊

兩個(gè)輸出信號(hào)是垂直和水平同步信號(hào)，它們直接連接到 VGA 連接器。

除了兩個(gè)輸出之外，還有三個(gè)信號(hào)輸入到圖像生成模塊。其中兩個(gè)輸出x_control和y_control控制 x 和 y 像素。此設(shè)計(jì)默認(rèn)的VGA顯示分辨率為640 X 480。因此，x_control 從 0 計(jì)數(shù)到639，y_control 從 0 計(jì)數(shù)到479。為了完成此任務(wù)，模塊中創(chuàng)建了兩個(gè)計(jì)數(shù)器模型。一個(gè)計(jì)數(shù)器滿足水平分辨率，另一個(gè)滿足垂直分辨率。第三個(gè)信號(hào)是 Video_on 信號(hào)，用于啟用/禁用視頻。代表同步模塊的符號(hào)如圖 2所示。

圖2同步模塊符號(hào)圖

4、 圖像生成模塊

該模塊為VGA顯示器生成RGB輸出，該模塊具有在顯示中生成所需塊的部分。如前所述，三個(gè)RGB輸出是數(shù)字信號(hào)，可產(chǎn)生八種組合，從而在顯示中產(chǎn)生八種顏色。圖像生成模塊的符號(hào)如圖 3所示。

圖 3圖像生成模塊符號(hào)圖

該模塊的VHDL模型有幾個(gè)部分來(lái)描述輸出數(shù)字信號(hào)。在VGA顯示器上生成的最終圖像用于PONG游戲，該游戲具有三個(gè)主要組件，如圖 4所示。

圖 4圖像生成模塊在輸出端的VGA顯示

在VGA顯示器上看到的PONG游戲中的三個(gè)主要組件是：

1. Wall - 限制球越過(guò)并在屏幕上以黑色顯示。
2. Ball - 在屏幕中移動(dòng)并以綠色顯示。
3. Bar – bar由img_gen模塊上的button_r和button_l輸入控制，并以藍(lán)色顯示。

圖像生成模塊生成數(shù)字輸出以顯示三種顏色，屏幕的其余部分為紅色。以下是 RGB 數(shù)字引腳上預(yù)期的輸出：

表2圖像生成模塊期望的輸出

圖像生成模塊的輸入x_control和y_control定義了顯示器上的像素，x_control和 y_control給定值下的顏色輸出由圖 4決定。對(duì)于y_control的每個(gè)值，x_control的值從0掃描到639，,y_control的值從0掃到469。這樣就形成了一個(gè)640X480分辨率的視頻，完成了一個(gè)顯示周期。這是由圖像生成模塊的video_on輸入決定的。

SaberRD中仿真與分析

SaberRD仿真平臺(tái)中主要進(jìn)行瞬態(tài)分析，它根據(jù)時(shí)間仿真系統(tǒng)性能。SaberRD運(yùn)行關(guān)于時(shí)間的模擬，并繪制各種信號(hào)以檢查系統(tǒng)輸出。在SaberRD中運(yùn)行仿真有幾個(gè)選項(xiàng)可用于可視化電路中不同部分的操作。用于運(yùn)行各種分析、繪制結(jié)果、測(cè)量各種參數(shù)等的自動(dòng)化工具對(duì)于提高設(shè)計(jì)工程師的生產(chǎn)力非常有用。

該設(shè)計(jì)還附帶一個(gè)運(yùn)行瞬態(tài)分析并繪制rgb輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)。除此之外，video_on信號(hào)以及指定顯示器上像素的 x 和 y 值。

1、 如何運(yùn)行實(shí)驗(yàn)Experiment

a、下載設(shè)計(jì)文件中，打開(kāi)設(shè)計(jì)vhdl_fpga_demo.ai_dsn。

b、轉(zhuǎn)到Simulate選項(xiàng)卡，在Analysis列表中選擇Experiment，在屏幕右邊的Experiments列表中選擇transient_analysis。開(kāi)始仿真。

c、仿真完成后，results窗格將顯示圖表和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

d、雙擊實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中可以看到Ball和Bar寬度的測(cè)量值。

e、雙擊圖表“key_outputs”，如圖 5所示的波形圖顯示出來(lái)。

2、 結(jié)果和觀察

了解設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果以了解仿真結(jié)果是否符合預(yù)期非常重要。設(shè)計(jì)的期望已經(jīng)在上面的部分中解釋過(guò)。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果窗格中會(huì)顯示圖表和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。雙擊圖表“key_outputs”結(jié)果如下圖 5。

圖5瞬態(tài)仿真波形圖

如前所述，對(duì)于變量“y”的每個(gè)值，變量“x”從 0變?yōu)?39?！畒’ 的值從0到479以完成一個(gè)顯示周期。這是640X480分辨率VGA顯示器的定義。

如圖 4所示，顯示和背景中有三個(gè)項(xiàng)目。這會(huì)在輸出引腳上產(chǎn)生rgb(0)、rgb(1)和rgb(2)的四種組合，如表1中所述。圖 5中提到了在一個(gè)顯示周期中的四個(gè)區(qū)域。

當(dāng)圖表放大到區(qū)域1時(shí)，信號(hào)如圖 6所示?？梢钥闯?rgb 輸出為 0、0 和 0，這表示黑色表示墻壁。

圖6黑色墻壁的RGB輸出狀態(tài)

區(qū)域2被縮放以查看屏幕上顯示的球。球是綠色的，輸出應(yīng)該是010。圖 7中顯示的放大區(qū)域也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖7綠色球的RGB輸出狀態(tài)

區(qū)域3表示背景，顏色為紅色。紅色的代碼是100，如下圖 8所示。

圖8紅色背景的RGB輸出

顯示器上的最后一個(gè)對(duì)象是藍(lán)色的Bar，RGB輸出應(yīng)為001，如下圖 9所示。

圖9藍(lán)色Bar的RGB輸出

除此之外，圖表上還有兩個(gè)測(cè)量值。這些測(cè)量以像素為單位顯示寬度，其中Ball的寬度為20，Bar 的寬度為120像素。這可以通過(guò)打開(kāi)img_gen.vhd模型來(lái)驗(yàn)證，如下圖 10所示。

圖10圖像生成模塊代碼

按比例，Ball和Bar的寬度可以在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中驗(yàn)證，如圖 11所示。

圖11測(cè)量顯示Ball和Bar的寬度

這里描述了圖 10中紅框中顯示的Bar和Ball寬度如何與圖 11中的脈沖寬度測(cè)量相關(guān)。一個(gè)video_on脈沖寬度，對(duì)于給定的“y”，在此期間，“x”像素從0變?yōu)?39 ，如圖 12所示，為1.28ms。在此期間 x 像素為藍(lán)色的時(shí)間為240us。

圖12以像素為單位計(jì)算Bar的寬度

因此，以像素為單位的Bar寬度為

同樣，以像素為單位的 Ball 的寬度為

結(jié)論

該設(shè)計(jì)示例表明 FPGA 的仿真可以在SaberRD 中執(zhí)行，并且自動(dòng)化方法有助于獲得易于閱讀的結(jié)果。在仿真工具中執(zhí)行的詳細(xì)分析表明，電路的輸出符合設(shè)計(jì)要求和所需的輸出。因此，SaberRD 被證明是用于仿真涉及到 FPGA 的設(shè)計(jì)的有前途的解決方案。