使用硅片基处理器FPGA和ADC的三大好处

目录
 

1. 在线数据处理

2. 自定义定时、触发和通道逻辑

3. 高速控制
 

随着模数转换器（ADC）和现场可编程门阵列（FPGA）技术的不断发展，电子产品在性能提升的同时，成本也得到了降低。

 

在NI CompactRIO系统中，所有的模拟和数字信号在到达主处理器前都需要通过一个FPGA模块。这种硅片处理器对测试和控制系统都是非常灵活的工具。当其与NI LabVIEW FPGA模块相结合，这种架构带来了诸多好处。接下来所讲的便是在相同测量和控制系统下，结合FPGA模块和模数转换器所带来的三大好处。

 

 

图1. 可在FPGA上完整运行“输入-处理-输出”的LabVIEW代码

 

1. 1. 在线数据处理
 

设计用于测量如张力、压力和声音等动态物理现象的系统，每秒可采集数百万个样本，但是需要通过一些形式的数据处理才能提供最有意义的信息。不管是计算快速傅里叶变换（FFT）、计算均方根（RMS）的值，还是在高速数据采集中实现陷波滤波，都会给主处理器增加沉重的负担。在某些情况下，这种负担甚至会限制整个系统的性能。

通过使用在线放置FPGA模块和一个高速模数转换器这种硬件架构，测试系统设计人员可以进行数据处理，重新采样或者是大量数据的降采样抽取，并使主处理器对其他任务开放。一百万个数据点进入FPGA模块可能仅有一个均方根值输出，这样节省的资源将可用于缓存、转化和计算均方根值等。

 

2. 2. 自定义定时、触发和通道逻辑
 

FPGA的逻辑分析可在从采集开始的短短一个时钟周期内分析一组离散输入采样。FPGA时钟周期不同，但是如在CompactRIO系统中的FPGA时钟则一般运行在40MHz。这意味着在25纳秒内，FPGA上的程序可对先前采集的样本随时作出反应。这样做的好处的一个例子就是实施模拟触发。在25纳秒内，定制的FPGA逻辑就可以将输入样本与一个预设常数进行比较，并确定是否达到预设水平。

这个例子中的比较器是个简单的逻辑，而FPGA可轻松的通过各通道的结合来控制逻辑，实现加窗、迟滞或者自定义触发。为了使通道逻辑更进一步，FPGA代码可以随着时间计算峰数，从而将一个基本的模拟输入通道转化为一个频率计数器。使用具有高速处理速率的FPGA和用于输入的模数转换器，系统设计人员可以通过改动程序逻辑来改进设计，而不用再构建定制的前端电路。

 

3. 3. 高速控制
 

不论程序是用于控制机械臂生产还是控制汽车防抱死系统，或者是控制食品包装设备，所有的控制系统都有一些共同点。这些程序都遵循“输入-处理-输出”的闭环控制模型。该控制回路和其他任何进程的速率由速率最慢的组件速率决定。限制速率的可能是执行机构的速率，也可能是传感器的更新速率，或者是通信总线的带宽。

 

但是，采用可以在LabVIEW环境下编程的FPGA模块和高速I/O模块，限制因素几乎就没有了，如果有的话，那只会是控制算法。比例积分微分控制算法（Proportional Integral Derivative ,PID）和自适应控制算法的处理需求通常与所涉及的通道数目有关，这便需要在通道数目和速度之间有所权衡。基于FPGA的控制系统有助于在这两大优势下克服这一问题。首先，增加并行处理器不会减缓系统速率。

换而言之，一个“四进四出”的控制系统过程在FPGA中运行时和“一进一出”的控制系统速度一样快。只要有可用资源，并行处理器的添加不会降低性能。其次，在FPGA上运行基于LabVIEW的代码，因为I/O数据并不需要移动到处理器、随机存取存储器RAM或者实时操作系统，所以控制延时可降低到25纳秒，“输入-处理-输出”过程直接从ADC到FPGA再到DAC，提供了非全定制设计系统下的近乎最低延迟。FPGA的并行特性和其无需将数据移动到处理器便可运行先进控制算法的能力，对设计人员而言是一个巨大的好处。

 

结合FPGA和ADC可以提升性能，但是如果没有一个简单的方法来在这些元件之间传送数据，那么处理速度的改善将会被开发时间抵消。在CompactRIO控制系统中，LabVIEW帮助工程师融合FPGA处理和数据采集而无需进行一系列软件工具的学习和支持。LabVIEW代码可以管理实时操作系统、信号的输入和输出、人机交互界面、网络服务，当然还有FPGA模块。

 

 

图2. CompactRIO通过一个可编程FPGA模块运送所有I/O数据来增强性能和灵活性

 

– Brett Burger